Экситонная спектроскопия полупроводниковых квантовых ям и сверхрешеток тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



российская академия наук

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

/ ^

V - - . О'!! /_На правах рукописи

А 0 ' УДК 535.543:538.958

* 44.5< *' * '

■ . . ;

КОЧЕРЕШКО Влади^й^Петрович

ЭКСИТОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ЯМ И СВЕРХРЕШЕТОК

(01.04.07 - физика твердого тела)

диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

Санкт-Петербург

1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте" им.А.Ф.Иоффе

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор В.И.Перель. член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор В.Б.Тимофеев,

доктор физико-математических наук, профессор В.Ф.Агекян . Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный технический университет .

РАН.

Защита состоится .. ( " заседании специализировж техническом институте им. А, С.Петербург, Политехи "еская у:

Защита состоится

года в

03 при Физико-лресу: 194021

Отзывы на автореферз1

.1 печатью,

просьба выслать по указ::., совета. С диссертацией мож

„ске института.

:о секретаря

Автореферат разослан ^

1998

Ученый секретарь специализированного совета Д 003.23.03

Петров А.А.

ОГЛАВЛЕНИЕ Общая характеристика работы

Гл. 1.Экситонные поляритоны в квантоворазмерных гетероструктурах 12 §1. Брэгговское отражение света в периодических структурах с КЯ 13 §2. Отражение света от полупроводниковых гетероструктур с квантовыми нитями. 18

Гл. 2.Нелинейная спектроскопия структур с квантовыми ямами. 23

§1. Фотоиндуцированное изменение экситонного рассеяния в СКЯ 23 §2. Влияние фотовозбуждения на скорость формирования экситона 28 §3. Дифференциальное фотоотражение в СКЯ со встроенным пьезоэлектрическим полем. 31

Гл. 3. Отражение света от гетероструктур на основе полумагнитных полупроводников Сс1Те/Сс1МпТе. 36

§1. Сила осциллятора экситона в квантовых ямах Сс1Те/Сс1МпТе. 36

§2. Проявление экситонных эффектов в размерном квантовании носителей в квантовых ямах СсГГе/СсНИпТе. 40

§3. Изменение сил осциллятора экситона в магнитном поле, переход тип1 -тип2. 42

Гл. 4 . Спиновая релаксация носителей в сверхрешетках и структурах с тестовыми ямами. 47

1 Спиновая релаксация дырок на акцепторных подуровнях в ■ |)ткопериодных сверхрешетках. 47

| Оптическая ориентация электронов, дырок в напряженных фоструктурах. 50

§3. Анизотропия электронного д-фактора в сверхрешетках.

53

Гл. 5. Резонансная оптическая ориентация и выстраивание экситонов в сверхрешетках. 57

§1. Оптическое выстраивание дипольных моментов экситонов в •сверхрешетках. 58

§2. Резонансная оптическая ориентация экситонов в сверхрешетках. 63 §3. Оптическая ориентация и выстраивание экситонов в сверхрешетках типа 2. 67

Гл. 6,Переход тип1 - тип2 в сверхрешетках СаАз/МАя. 71

§1. Изменение сил осциллятора экситонов вблизи перехода тип1 - тип2 в сверхрешетке, 71

§2. Проявление структуры интерфейса в спектрах отражения сверхрешеток вблизи перехода тип1 - тип2. 75

Гл. 7, Экситон-электронное взаимодействие в квантовых ямах 80

§1. Связанные экситон-электронные комплексы (трионы). 80

§2. Комбинированный экситон-циклотронный резонанс. 83

§3. Экситон-электронное рассеяние. 86

Основные выводы. 90

Публикации по теме диссертации. 94

Публикации, не вошедшие в диссертацию . 101

Цитируемая литература. 106

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование полупроводниковых наноструктур, таких, как структуры с квантовыми ямами, сверхрешетки, квантовые нити и квантовые точки, в настоящее время является одним из наиболее динамично развивающихся направлений в физике полупроводников. Полупроводниковые наноструктуры важны не только для применения в приборах полупроводниковой электроники, они представляют прекрасную возможность и для исследования новых физических явлений.

Современный уровень эпитаксиальной технологии полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур, в особенности метод молекулярно пучковой эпитаксии, позволяет производить 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 обьектом исследования в физике твердого тела.

Для исследования и характеризации полупроводниковых наноструктур в последнее время все шире применяются методы экситонной спектроскопии. Экситонная спектроскопия позволяет аккуратно проследить изменение не только энергетического спектра, по и кинетических параметров при изменении характерных размеров нанообьектов. Активно применяются и методы оптической ориентации

экситонов и поляризованной люминесценции в магнитном поле. В сочетании с магнитооптическими методами экситонная спектроскопия становится одним из главных методов исследования полупроводниковых наноструктур.

Фундаментальный характер явлений, определяющих оптические свойства полупроводниковых нанообьектов, 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 физических явлений и закономерностей в полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами, сверхрешетках и квантовых нитях методами зкситонной спектроскопии, а также развитие методов исследования и характеризации этих структур для дальнейшего совершенствования технологии их получения.

Научная новизна диссертации определяется впервые полученными в ней следующими результатами:

1) Впервые исследованы спектры резонансного экситонного отражения света от длиннопериодных структур с квантовыми ямами с периодом, удовлетворяющим условиям Брэгга К(1 = ж, где К -волновой вектор света, й -период структуры.

2) Впервые исследованы спектры отражения и четырехволнового смешивания в области экситонных резонансов от полупроводниковых квазиодномерных кластеров в системе СаАз/МАв.

3) Впервые экспериментально проанализированы возможные механизмы, приводящие к эффекту фотоиндуцированного изменения

показателя преломления света в области экситонных резонансов в структурах с квантовыми ямами.

4) Впервые экспериментально показано, что время спиновой релаксации дырки на акцепторе зависит от периода сверхрешетки и определяется расщеплением легких и тяжелых дырок.

5) В сверхрешетке СаАз/АЮаАэ впервые обнаружена анизотропия электронного ^-фактора.

6) Впервые в сверхрешетках типа I и типа II исследованы явления резонансной оптической ориентации экситонов и оптического выстраивания дипольных моментов.

7) В структурах с квантовыми ямами, содержащими 20Ев в магнитном поле / впервые обнаружено новое физическое явление -Комбинированный экситон-циклотронный резонанс. Практическая значимость работы состоит в том, что в ней получен ряд новых результатов, важных для понимания физических процессов с участием экситонов в полупроводниковых микроструктурах. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, использованы и другими авторами при интерпретации экспериментальных данных и при разработке теоретических моделей и позднее опубликованы в научных статьях.

Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются только обьектами исследования, использованными в данной работе. Они могут быть использованы, и уже используются, в исследованиях по спектроскопии полупроводниковых наноструктур, характеризации наноструктур и способствуют совершенствованию технологии получения полупроводниковых наноструктур.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые экспериментально реализовано когерентное взаимодействие экситонов в соседних квантовых ямах посредством электромагнитного поля в новом классе полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами - резонансных брэгговских структурах. В таких структурах с периодом ; удовлетворяющим условиям Брэгга К2с1=тч, (где К. - г-компонента волнового вектора света, (1 - период структуры), экситонный вклад в коэффициент отражения и ширина контура экситонного отражения возрастают с ростом числа квантовых ям в структуре.

2. Путем анализа спектров экситонного отражения и четырехволнового смешивания в квазиодномерных полупроводниковых кластерах в системе СаАв/А1А5 показано, что экситонные переходы в таких кластерах характеризуются пространственной анизотропией, а также большой силой осциллятора и большой нелинейной восприимчивостью, по сравнению с тем ■ что можно ожидать в квантовой яме той же эффективной ширины.

3. В структурах с квантовыми ямами экспериментально реализованы три возможных механизма фотоиндуцированного изменения показателя преломления света в области экситонных резонансов, связанные с изменением всех трех экситонных параметров: резонансных частот переходов, сил осциллятора и экситонного затухания. Обнаружена дифракция света на фотоиндуцированной периодической пространственной модуляции показателя преломления света в области экситонных резонансов / вызванной фотоиндуцированным изменением экситонного затухания.

4. В полумагнитных гетероструктурах с квантовыми ямами Сс1Те/Сс1МпТе прослежена Зависимость силы осциллятора экситонного перехода от ширины квантовой ямы, связанная с изменением перекрытия волновых функций электронов и дырок. Характер этой зависимости указывает на влияние кулоновского потенциала размерно квантованного электрона на размерное квантование дырок в квантовых ямах. Зависимость силы осциллятора экситонного перехода от магнитного поля позволяет проследить переход тип-1 - тип-2 и переход в состояние спиновой сверхрешетки.

5. В результате исследования циркулярно поляризованной люминесценции во внешним магнитным поле и эффекта оптической ориентации в гетероструктурах А3В5 обнаружены:

а) Зависимость времени спиновой релаксации дырок на акцепторных подуровнях от периода сверхрешетки, связанная со смешиванием состояний легких и тяжелых дырок при их размерном квантовании.

б) Анизотропия электронного д-фактора в сверхрешетке.

6. В сверхрешетках типа-1 и типа-2 СаАй/АМз с использованием резонансной оптической ориентации и оптического выстраивания дипольных моментов экситонов в магнитном поле в геометрии Фарадея и фохта определены величины обменного взаимодействия в экситоне и анизотропного обменного расщепления. Установлено, что спектральные зависимости оптической ориентации и оптического выстраивания позволяют разделить вклады свободных и локализованных экситонов.

7. По спектрам резонансного экситонного отражения в СР СаАз/МАв прослежена зависимость резонансных частот переходов и сил

осциллятора экситона от периода СР вблизи перехода тип-1 - тип-2 при междолинном Г - X смешивании электронных состояний. В спектрах отражения обнаружена многокомпонентная структура контура экситонного отражения, связанная с проявлением флуктуаций периода СР.

8. В модулированно легированных структурах с квантовыми ямами, содержащих электронный газ малой плотности в магнитном поле обнаружено явление комбинированного экситон-циклотронного резонанса, когда фоторождение экситона сопровождается возбуждением электрона между уровнями Ландау. Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на XIX, XX, XXI, XXII и XXIII Международных конференциях по физике полупроводников; на 2, 3, 4 и 5 Международных конференциях Optics of Excitons in Confined Systems; на 4, 6, 7, 9 и 10 Международных конференциях Superlattices and Microstructures; на Международных конференциях High Magnetic Fields in Semiconductor Physics в Вюрцбурге в 1990 и 1996; на Международных конференциях по полупроводниковым соединениям А2В6 (Tamano 1991, Edinburg 1995 и Grenoble 1997): на конференциях Европейского физического общества в 1992 и 1995; на Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам MSS-6 1993 и MSS-8 1997; на Международной конференции Semiconductor Heteroepitaxy, Montpelier, 1995; на Международной конференции Compound Semiconductores, S.Petersburg 1996; на Международных конференциях Nanostructures: Physics and Technology, Репино 1994, 1995, 1996 и 1997; на Всероссийской конференции по люминесценции в 1991, 1993, а также

на других конференциях и семинарах ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ИФТТ РАН (Черноголовка), DRFMC/CENG/CEA (Grenoble), Physicalishes Institut der Universität Wuerzburg (Wuerzburg), Montpelier University (Montpelier) и др.

Приглашенные доклады были: на третьем Европейском семинаре по соединениям А2Вб, (Linz, 1994); на XXII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев 1990); на 1, 2 и 3 Российских конференциях по физике полупроводников (Н.Новгород 1994, Зеленогорск 1996, Москва 1997); на Зимней школе ФТИ по физике полупроводников (1997); на Международной конференции Optics of Excitons in Coildensed Matter (St.Petersburg 1997).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

'Гл.1.' Экситонные поляритеты в квантоворазмерных гетероструктурах

Исследование спектров отражения света от полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами (СКЯ) и сверхрешеток показало себя перспективным методом для изучения и характеризации свойств полупроводниковых квантово-размерных структур. Анализ экситонного контура отражения света позволяет проследить зависимость экситонных параметров от параметров гетероструктуры, от величины внешнего электрического и магнитного полей.

В наших ранних работах по исследованию спектров отражения [13В, 18В, 21В] анализ спектров ограничивался случаем короткопериодной СР (по сравнению с длиной волны света в среде),

для которой КсК< 1, где К = —п - волновой вектор света в среде, с! -

с

период структуры. В этом случае всю СР можно рассматривать как некую новую однородную диэлектрическую среду с эффективной диэлектрической проницаемостью:

V (*„ • <» 'Г„

в которой экситонные параметры («•„- фоновая диэлектрическая проницаемость, со1Т - продольно - поперечное расщепление, со0 -резонансная частота экситонного перехода, Г-экситонное затухание)

зависят от параметров СР - периода, толщин и высот барьеров, ширины квантовых ям.

£ 1.1 Брэгговское отражение света от периодических структур с КЯ.

Важным случаем периодических гетеростуктур с КЯ является случай длинно - периодных структур, когда период структуры сравним с длиной волны света в среде К<1> 1. Такую структуру уже нельзя рассматривать с точки зрения однородной диэлектрической среды, а следует рассматривать как набор отдельных КЯ, связанных общим полем излучения. Спектр отражения света от такой структуры будет определяться интерференцией света, отраженного от каждой из одиночных КЯ в структуре. Очевидно, что здесь имеются два важнейших типа структур - "брэгговская" структура с КЯ, период которой удовлетворяет условиям Брэгга: Кс1= ж и "антибрэгговская" структура с КЯ, в которой ЛУ=л/2. В брэгговской структуре с КЯ световые волны, отраженные от каждой из КЯ, будут складываться на поверхности в одной и той же фазе, увеличивая тем самым результирующий сигнал отражения. В антибрэгговской структуре световые волны, отражаясь от каждой из КЯ, будут приходить на поверхность в противофазе, приводя к деструктивной интерференции.

Отметим, что для получения большого коэффициента отражения света от СКЯ необходимо выполнение условий Брэгга с точностью выше 10%. Условие должно выполняться для проекции волнового

вектора на ось структуры (ЙГ2): Кгй= л, где К.-—^и2-йп2ф,ф- угол

с

падения света.

20

15

О)

и Д

to

у 10

ф

«Д

ф С*

О

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Т=1.6К 1-1-1-1- (а) :

. ф=45°

DO

О 1 t < 1 ! 1 1 t 1 1 ' ' ' ■

756

758

760

762

Wavelength, (nm)

Рис.1,1а. Спектр отражения при наклонном падении под углом 45° от брэгговской структуры с квантовыми ямами Сс1Те/Сс)МдТе с периодом с1, удовлетворяющим условию Кс1=я. Кружками показан результат подгонки экспериментального и теоретического спектров отражения с параметрами о0"1=759.6 пт, ЬГ=0.85 те\/ ЬГо=0.14 те\/.

20

Wavelength (nm)

Рис.1.1 б. Спектры отражения при наклонном падении под углом 45° от "Анти-брэгговской" структуры с квантовыми ямами Сс1Те/Сс1МдТе с периодом (^удовлетворяющим условию Кб=71/2. Кружки - результат подгонки расчетного и экспериментального спектров с

параметрами <о0"1 =759.6 пт№=0.75 те\/, 1"1Го=0.14те\/

Таким образом, выбором угла падения можно добиться более точного выполнения условий Брэгга для 2 - компоненты волнового вектора света.

На рис. 1.1 а и б представлены спектры отражения в области резонанса тяжелого экситона для двух СКЯ CdTeZCdo.6Mgo.4Te. Спектры регистрировались при наклонном падении света на структуру ¡50=45°) в р - поляризации при Т=1.6К. Спектр брэгговской СКЯ, период которой ё=1620 А / позволял близко подойти к точному выполнению условий Брэгга (Къё= 1.09л), показан на рис. 1.1а. На рис. 1.16 приведен спектр отражения антибрэгговской структуры с с1 = 850 А и К^=0.57я:. В спектрах обеих структур ярко выделяется резонансный контур экситонного отражения. Сопоставление спектров этих структур показывает, что как амплитуда, так и ширина к�