Введение к работе
Актуальность темы. Исследование полупроводниковых наноструктур, таких как структуры с квантовыми ямами (КЯ), сверхрешетками и квантовыми точками, в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений в физике полупроводников. Полупроводниковые наноструктуры на основе соединений А2В6 важны не только для применения в приборах полупроводниковой электроники, они предоставляют прекрасную возможность для исследования новых физических явлений.
Современный уровень эпитаксиальной технологии
полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур позволяет получать наноструктуры с толщинами слоев всего в несколько постоянных решетки. При этом имеется возможность варьировать в широких пределах состав слоев, получать структуры с заданным распределением примесей и заданными оптическими свойствами. Возможность целенаправленно управлять физическими свойствами наноструктур делает их незаменимым объектом исследования в физике твердого тела.
Особый интерес для исследований и практических приложений представляют модулированно-легированные гетероструктуры, содержащие двумерный электронный или дырочный газ (2DEG или 2DHG).
Фундаментальный характер явлений, определяющих оптические свойства таких структур, а также их практическая важность для использования в полупроводниковых приборах делают тему диссертации актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Целью настоящей работы является поиск новых и исследование ранее известных фундаментальных физических явлений, связанных с проявлением экситон-электронного взаимодействия.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые обнаружен и исследован ряд новых физических явлений с участием нейтральных и заряженных экситонов, среди которых можно отметить следующие.
В структурах с квантовыми ямами с модулированным легированием ZnSe/(Zn,Mg)(S,Se) впервые обнаружены и исследованы положительно заряженные экситонные комплексы с участием тяжелой дырки, а также отрицательно заряженные комплексы с участием легкой дырки.
Разработан оптический, бесконтактный метод определения концентрации квазидвумерных электронов в квантовой яме в диапазоне концентраций от 109 см'2 до 1011 см'2. Метод основан на анализе степени циркулярной поляризации линий отражения (поглощения) трионов в магнитном поле.
В квантовых ямах на основе CdTe и ZnSe обнаружено, что энергетическое расстояние между линиями отражения (поглощения) трионов и экситонов линейно растет с ростом концентрации квазидвумерных электронов в квантовой яме как энергия Ферми электронного газа.
В структурах с квантовыми ямами ZnSe/(Zn,Mg)(S,Se) детально исследована зависимость экситонных и трионных параметров от концентрации квазидвумерных электронов и величины магнитного поля. Обнаружено, что сила осциллятора триона линейно растет с ростом концентрации электронов.
Исследовано влияние магнитного поля на величину однородного и неоднородного уширения экситонных линий отражения (поглощения) в модулированно-легированных структурах с квантовыми ямами. Установлено, что однородная ширина экситонной линии отражения сильно зависит от направления углового момента экситона относительно направления магнитного поля, такая зависимость объясняется вкладом обменных процессов в рассеяние экситонов электронами.
В спектрах отражения (поглощения) от квантовых ям, содержащих электронный газ, в магнитном поле в области между линиями экситона и триона при факторах заполнения уровней Ландау в диапазоне от v=3 до v=l обнаружена новая линия. Происхождение этой линии связывается с процессами поглощения света с участием четырех частиц: одной дырки и трех электронов. При рождении экситона квантом света один из дополнительных электронов связывается с экситоном, образуя трион, а второй электрон возбуждается на один из вышележащих уровней Ландау.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней получен ряд новых результатов, важных для понимания физических процессов с участием нейтральных и заряженных экситонов, в гетероструктурах, содержащих двумерный электронный газ. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, используются другими авторами при интерпретации экспериментальных данных и при разработке теоретических моделей.
Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются только объектами исследования, использованными в данной работе.
Основная научная и практическая ценность работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей. Результаты работы целесообразно использовать для исследования оптических свойств и характеризации полупроводниковых гетероструктур с пониженной размерностью.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В квантовых ямах ZnSe/(ZnMg)(SSe) с модулированным легированием доказано существование отрицательно и положительно заряженных экситонных комплексов, сформированных с тяжелой дыркой. Экспериментально показано существование отрицательно заряженных экситонных комплексов, сформированных с легкой дыркой.
-
Разработанный оптический метод анализа степени циркулярной поляризации спектров отражения (поглощения) в области трионного резонанса в магнитном поле позволяет определять плотность электронного газа в квантовой яме в диапазоне 109-ь10п см"2.
-
Энергетический зазор между линиями экситона и триона в спектре отражения (поглощения), рассматриваемый как энергия связи заряженного экситонного комплекса, линейно увеличивается с ростом концентрации электронов в квантовой яме, как энергия Ферми электронного газа. Такое поведение носит универсальный характер, и не зависит от полупроводникового материала и параметров квантовой ямы.
-
Отношение сил осцилляторов трионного и экситонного переходов в области малых концентраций электронов в квантовой яме пропорционально плотности электронного газа, причем коэффициент пропорциональности определяется только радиусом триона.
-
Механизм обменного экситон-электронного рассеяния в квантовой яме, содержащей электронный газ, при низких температурах, во внешнем магнитном поле является доминирующим механизмом, определяющим экситонное затухание.
-
В спектрах отражения (поглощения) от квантовых ям, содержащих электронный газ, во внешнем магнитном поле при факторах заполнения уровней Ландау между v=3 и v=l обнаружена новая линия, соответствующая резонансному состоянию четырех частиц: трех электронов и одной дырки. Это явление получило название комбинированный трион-циклотронный резонанс и связано с фоторождением триона и одновременным возбуждением электрона между уровнями Ландау.
Апробация работы: Основные результаты докладывались на семинарах в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе; в Физическом институте Университета города Вюрцбург (Германия); в Отделе фундаментальных исследований Центра ядерных исследований, Гренобль (Франция); в Институте физики Польской Академии наук, Варшава (Польша) и в Отделении физики твердого тела Физического института Академии наук им. ПН.Лебедева. Основные результаты были представлены: на симпозиумах по физике и технологии наноструктур (С.Петербург, Россия, 1997, 1999); на международных школах по полупроводниковым материалам (Яжовиц, Польша, 1998, 1999); на Всеросийских конференциях по физике полупроводников (Москва, Россия, 1997 и Новосибирск, Россия, 1999); на конференции по применению сильных магнитных полей в физике полупроводников (Наймиген, Голландия, 1998); на международном семинаре по оптоэлектронике (С.Петербург, Россия, 1998); на международном семинаре по росту и характеризации II-IV полупроводников (Вюрцбург, Германия, 1999); на Международной конференции по электронным свойствам двумерных систем (Оттава, Канада, 1999); на конференции по оптике экситонов в квантово-размерных системах (Аскона, Швейцария, 1999); на Международной конференции по II-IV соединениям (Киото, Япония, 1999); на Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.Петербург, Россия, 1999).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, состоящего из 97 наименований. Общий объем работы - 139 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков.
