Смешивание дырочных состояний на полупроводниковых гетеропереходах (001) при нормальном падении Каминский, Алексей Юрьевич

Введение к работе

-3-

Актуальность темы. В настоящее Время физика низкоразмерных систем является бурно развивающейся областью современной полупроводниковой науки. Наиболее популярным классом таких систем являются гетероструктуры различного типа. Со времени изобретения Ёсаки и Ну полупроводниковой оверхрешетки технология шагнула далеко вперед. Стало возможным выращивать структуры, состоящие из слоев различных полупроводников заданной толщины с точностью до одного моноатомного слоя с крайне низкой концентрацией дефектов на границах между ними. В таких структурах эффекты размерного квантования начинают играть определяющую роль, что приводит к появлению целого ряда новых ярких физических явлений. Высокое качество создаваемых гетероструктур сделало возможным наблюдение тонких эффектов, ранее не наблюдавшихся из-за неидеальности изучаемых систем.

В связи с этим остро встал вопрос о смешивании состояний носителей на идеальных гетероинтёрфейса х. Ранее неидеальность интерфейсов позволяла опираться на достаточно Общие заключения о виде граничных условий для огибающих волновых функций на них, так как рассмотрение мелких деталей представлялось неоправданным. Теперь, когда имеется возможность изготовления гетероструктур с практически идеальными гетеропереходами, появилась необходимость в .установлении максимально точного вида граничных условий. Эта проблема является достаточно сложной и, видимо, не имеет общего решэния; Поэтому в каждом конкретном случае необходим спой подход. Случай нормального падения дырки На гетеропереход (001) является достаточно важным. Структуры, выращенные в направлении кристаллографической оси (001), образуют один из наиболее распространенных типов гетероструктур, а случай нормального падения реализуется, например, в экситонах, локализованных на несовершенствах гетероструктур (в частности, на флуктуациях толщин слоев материалов, составляющих структу-

P^v)-

До последнего времени нерешенным оставался вопрос не только о выборе конкретного способа описания в методе эффективной массы смешивания дырочных состояний при нормальном падении на полупроводниковый интерфейс (001), по и о принципиальной возможности такого описания. Вопрос о возможности вывода граничных условий для огибающих дырочных волновых функций на основе неупрощенного метода сильной связи также оставался открытым. Сказанное выше обуславливает актуальность темы данной диссертации.

Целью настоящего исследования является построение последовательной теории смешивания дырочных состояний на полупроводниковых гетеропереходах (001) при нормальном падении, а также теоретическое истолкование и описание вызванных этим смешиванием аффектов, обнаруженных экспериментально или при численных расчетах.

Научная новизна работы заключается в решении поставленных задач, а именно:

1. какова причина смешивания дырочных состояний при нормальном падении на полупроводниковый интерфейс (001)

2. об аналитическом выводе для этого случая граничных условий для огибающих дырочных волновых функций "из первых принципов", т.е. па основе метода, применяющегося для точного численного расчета состояний в объемных полупроводниках (метода сильной связи)

3. каково влияние смешивания дырочных состояний на тонкую структуру энергетических уровней el A'—hhl экситонов в сверхрешетке GaAs/AlAs(001) типа И

4. как будет сказываться смешивание на поляризации фотолюминесценции таких экситонов в магнитном поле, параллельном оси сверхрешетки

-5-5. о теоретическом описании эффектов, ранее изучавшихся только посредством численных расчетов: (а) подмешивание легкой- дырки к тяжелой при отражении от гетероинтерфейеа GaAs/AlAs(001) при нормальном падении (б) наличие излуча-тельных переходов между состояниями различной четности в квантовой яме AlAs/GaAs/AlAs (001)

Основные-положения, выносимые на защиту.

5. Смешивание дырочных состояний при нормальном падении на гетероинтерфейс (001) происходит даже в идеальной гетеро-структуре и срязано со сравнительно низкой точечной симметрией Ci_v интерфейса".

6. Возможен строгий последовательный аналитический вывод из метода сильной связи граничных условий для дырочных огибающих в случае, когда волновой вектор дырки направлен параллельно оси сверхрешетки,

7. Смешивание дырочных состояний оказывает существенное влияние на тонкую структуру энергетических уровней е\Х — hh\ экситона в сверхрешетке GaAs/AlAs(001) типа II, приводя к расщеплению пары излучательных состояний с полным моментом

±1. '

4. Обусловленное дырочным смешиванием расщепление излуча-тельного дублета проявляется в зависимости степени циркулярной поляризации фотолюминесценции экситонов в магнйт-ном поле, параллельном оси сверхрешетки.

5. Введенные граничные условия для дырочных огибающих позволяют дать детальное теоретическое описание смешив.-шип дырок при отражении от одиночного барьера GaAs/AlAs и объяснить природу неравенства нулю матричных элементов оператора импульса между состояниями различной четности в квантовой яме AlAs/GaAs/AlAs (001).

Научная и практическая ценность. Значимость работы состоит в том, что в ней впервые осуществлен последовательный выъод граничных условий для дырочных огибающих из метода сильной связи, позволяющий решать проблемы смешивания состояний на интерфейсе "из первых принципов". Разработанный метод имеет много приложений. В частности, он позволяет в методе эффективной массы учитывать различие двух возможных видов гетероинтерфейса, образованного материалами, в которых различны как анионы, так и катионы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах в ФТИ им. А,- Ф. Иоффе, на рабочих семинарах в ведущих университетах Германии, Франции, Италии, Индии, па конференциях EXCON-94 (Darwin, Australia), "Nanostructurps: Physics and technology" (Санкт-Петербург, Россия, 1994), 2-й Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, Россия, 1996). Некоторые из результатов также включены в мойвграфшо Е. Л. Ивченко и Г. Е. Пикуса "Superlattices and Other Heterostructures, Symmetry and Optical Phenomena" (Springer-Vtslag, 1995).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы п С-ти печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Список литературы содержит 90 наименований. Объем диссертации составляет 112 страниц, в том числе 14 рисунков.