Электронные и оптические свойства нерегулярных сверхрешеток на основе полупроводниковых соединений групп A3B5 и A2B6 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф. ИОФФЕ

На правах рукописи

ТОРОПОВ Алексей Акимович

Электронные и оптические свойства нерегулярных сверхрешеток на основе полупроводниковых соединений групп А^В5 И А2В6

специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2005

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

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Багаев В. С.

Доктор физико-математических наук, профессор

Воробьев Л. Е.

Доктор физико-математических наук, профессор

Пермогоров С. А.

Ведущая организация:

Институт физики твердого тела Российской Академии наук, Черноголовка

специализированного совета Д 002.205.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Отзывы о диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан " /2 " марта 2005 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук,

Защита состоится "21" апреля 2005 г. в Щ—

час. на заседании

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Развитие физики полупроводниковых гетероструктур оказывает непосредственное влияние на нашу повседневную жизнь, поскольку функциональность практически всех современных оптоэлектронных приборов зависит от прогресса в этой области. Исследования свойств низкоразмерных гетероструктур: сверхрешеток, квантовых ям, проволок и точек, находятся на острие этой науки.

Одними из первых объектов такого типа, изготовленных методом молекулярно пучковой эпитаксии, были полупроводниковые сверхрешетки -структуры с периодической одномерной модуляцией свойств, производимой на шкале размеров, сравнимых с длиной волны де Бройля электрона Электронные и оптические свойства регулярных полупроводниковых сверхрешеток к настоящему времени хорошо изучены [3*]. Однако часто интерес представляет исследование свойств квази-сверхрешеточных структур, в которых строгая периодичность потенциала нарушена. Эти нарушения могут быть связаны с неконтролируемыми дефектами в экспериментальных образцах. В других случаях специально сконструированные нерегулярные сверхрешетки демонстрируют полезные функциональные особенности.

Одной из актуальных задач в области физики нерегулярных сверхрешеток к моменту начала диссертационной работы (конец 1994 г.) было конструирование так называемых "апериодичных" сверхрешеток, т.е. многослойных структур, в которых протяженные "квази-минизонные" состояния выстраиваются при приложении вдоль оси роста структуры однородного электрического поля. Такие структуры получили особое развитие в качестве протяженных туннельных инжекторов носителей, используемых, например, в каскадных лазерах В

регулярных сверхрешетках максимум туннельной прозрачности соответствует нулевому внешнему электрическому полю. При заданных материалах геометрические параметры сверхрешетки (ширины ям и барьеров) однозначно определяются двумя параметрами - энергетической шириной и положением минизоны. Приложенное поле нарушает периодичность сверхрешетки, разрушая минизону и приводя к образованию лестницы "штарковских" состояний В "апериодичной" сверхрешетке уровни в отдельных квантовых ямах выстраиваются по энергии при приложении внешнего электрического поля. Очевидно, что ширины всех ям и барьеров такой структуры должны быть разными и условие выстраивания уровней может быть достигнуто бесконечным числом способов. К моменту начала диссертационной работы не было опубликовано алгоритма, позволяющего однозначным образом конструировать апериодичные сверхрешетки с заданными характеристиками (положение и ширина квази-минизоны) и туннельной прозрачностью близкой к максимально

возможной. Фактически отсутствовали данные о влиянии на выстраивание квази-минизоны кулоновского взаимодействия, связанного с образованием экситонных состояний и с аккумуляцией пространственного заряда.

Другой класс относительно мало исследованных нерегулярных сверхрешеток представлен многослойными структурами разбавленных магнитных полупроводников (РМП). Интерес к таким структурам связан в первую очередь с быстрым развитием концепции спиновой электроники ("спинтроники"), предполагающей использование в качестве носителя информации не электронного заряда, как в современной электронике, а спина электрона Создание полупроводниковых спинтронных приборов требует реализации таких процессов как инжекция спин-поляризованных электронов, накопление электронных спинов и манипулирование ими. Была показана эффективность использования объемных слоев РМП группы А2Б6 в качестве модельных объектов для отработки принципов действия будущих спинтронных приборов [7*], однако сверхрешетки РМП (полумагнитные сверхрешетки) для этой цели не использовались. Фактически отсутствовали данные о транспорте спин-поляризованных носителей и спиновой релаксации в таких объектах.

Одним из наиболее изученных типов искусственных нерегулярных сверхрешеток является сверхрешетка с одной уширенной квантовой ямой. Ранее такие структуры успешно использовались для оптических исследований транспорта носителей и экситонов вдоль оси роста сверхрешетки [8*]. Оптические исследования подобных структур, включающих сверхрешетку РМП и вставленную в нее более глубокую немагнитную квантовую яму, представляются особо перспективными для получения данных о транспорте спин-поляризованных носителей и спиновой релаксации в сверхрешетке РМП, а также инжекции спина из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную квантовую яму.

Дополнительная возможность спонтанного нарушения порядка и снижения симметрии сверхрешеток и квантовых ям РМП обусловлена процессами магнитной локализации носителей, в частности, образованием экситонного магнитного полярона - локальной области ферромагнитного упорядочивания. Несмотря на интенсивные исследования свойств экситонных магнитных поляронов в структурах РМП, ведущиеся в течении последних 20 - 30 лет [9*], ряд вопросов, касающихся кинетики формирования и распада магнитных поляронов, так и не получил полного экспериментального прояснения. К ним можно отнести теоретически предсказанный эффект автолокализации магнитного полярона в структурах с квантовыми ямами а также вопросы, связанные с

конкуренцией магнитных и немагнитных механизмов экситонной локализации.

Еще один класс нерегулярных сверхрешеток, представляющий особый интерес, включает сверхрешетки полупроводниковых слоев, сильно различающихся по параметру решетки. К настоящему времени хорошо известно, что процессы самоорганизации во время эпитаксиального роста тонких напряженных слоев могут приводить к образованию массивов "0-мерных"

объектов - квантовых точек и дисков [11*]. Изменяя номинальную толщину напряженных слоев, можно плавно менять их морфологию - от однородных квантовых ям к сильно разупорядоченным квантовым ямам и, наконец, к упорядоченным или не упорядоченным 3-мерным массивам квантовых точек, влияя, таким образом, на структуру и степень беспорядка составленной из них сверхрешетки. Приборный интерес к таким структурам связывается с возможностью их использования в качестве активной области низкопороговых инжекционных лазеров. Наиболее полно исследованы оптические свойства массивов квантовых точек типа I, образующихся в многослойных структурах InAs/GaAs, излучающих свет в ближнем ИК диапазоне и структурах CdSe/ZnSe, предложенных в качестве активной области низкопороговых зеленых лазеров [12*]. Для перехода в область больших длин волн требовалась разработка новых гетероструктур, в частности, обладающих структурой зон типа II.

Особый интерес представляют также многослойные структуры, составленные из соединений, не имеющих общих атомов. Оптическая спектроскопия линейно-поляризованного света в таких образцах, включающих сверхрешетки квантовых ям, позволяет получать данные о симметрийных свойствах состояний, участвующих в межзонной рекомбинации Подобные исследования в структурах с 0-мерными объектами (квантовыми дисками и точками) ранее не проводились.

Перечисленные проблемы, связанные со свойствами нерегулярных сверхрешеток, можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся задачи зонной инженерии, т.е. конструирование систем связанных квантовых ям с заданными свойствами. Вторая группа объединяет случаи, когда специальное введение в сверхрешетку определенной нерегулярности, например, расширенной квантовой ямы, позволяет использовать такую структуру как инструмент исследования электронных свойств самой сверхрешетки. К задачам третьей группы можно отнести исследования свойств сверхрешеток со специфичными, естественным образом возникающими нерегулярностями, как, например, магнитные поляроны в сверхрешетках РМП, или квантовые диски и точки, образующиеся при росте структуры в результате процессов самоорганизации. Диссертационная работа представляет ряд актуальных исследований, имеющих отношение ко всем трем группам задач.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель диссертационной работы состояла в экспериментальном определении электронных и оптических свойств полупроводниковых гетероструктур с нерегулярными сверхрешетками, представляющих особый интерес, как с точки зрения фундаментальных исследований, так и для приборных применений. Список исследуемых структур включал: GaAs/AlGaAs апериодичные сверхрешетки, Zn(Mn)Se/Cd(Mn)Se сверхрешетки с различной степенью

беспорядка, ZnMnSe/CdSe полумагнитные сверхрешетки с вставленной немагнитной квантовой ямой ZnCdSe, ZnMnSe/ZnSSe полумагнитные сверхрешетки и квантовые ямы типа II, структуры типа II с квантовыми ямами и точками GaAs в Ga(As)Sb и сверхрешетки типа II CdSe/BeTe с массивами квантовых дисков различной степени упорядоченности.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- Развитие методов расчета электронного и экситонного спектра систем электронно связанных квантовых ям, разработка метода конструирования апериодичных сверхрешеток с заданными свойствами;

- Экспериментальное определение экситонного спектра и особенностей процессов переноса возбуждений в специально сконструированных гетероструктурах с апериодичной сверхрешеткой, выполненной в системе GaAs/AlGaAs;

- Экспериментальное наблюдение и теоретическая интерпретация эффектов пространственного накопления заряда в p-i-n лазерных диодах, включающих апериодичные сверхрешетки в качестве инжекторов электронов и дырок;

- Изучение экситонного спектра и особенностей динамики экситонов в сверхрешетках CdSe/ZnSe в зависимости от степени беспорядка в слоях;

- Определение методом оптической спектроскопии особенностей транспорта и релаксации спин-поляризованных носителей в гетероструктурах, включающих полумагнитные сверхрешетки Zn(Mn)Se с вставленной немагнитной квантовой ямой ZnCdSe;

- Экспериментальное выяснение основных механизмов магнитной и немагнитной локализации носителей в полумагнитных сверхрешетках ZnMnSe/ZnSSe;

- Определение связи между структурными и фотолюминесцентными свойствами гетероструктур с квантовыми ямами и точками типа II GaAs в матрице GaSb;

- Наблюдение инфракрасной электролюминесценции и лазерной генерации в диодах с массивами квантовых точек типа II GaAs в матрице GaSb;

- Определение интенсивности и линейной поляризации фотолюминесценции массива квантовых дисков CdSe/BeTe в зависимости от степени упорядочения элементов массива;

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

• Впервые предложен метод, позволяющий однозначным образом рассчитывать конструкцию апериодичной сверхрешетки, обеспечивающей близкую к оптимальной туннельную прозрачность при заданных основных параметрах: величине внешнего электрического поля, а также ширине и положении квази-минизоны.

• Впервые экспериментально и теоретически исследовано влияние кулоновского взаимодействия электрона и дырки, составляющих экситон, на выстраивание квази-минизоны апериодичной сверхрешетки, экспериментально продемонстрировано выстраивание и замешивание в электрическом поле множественных экситонных состояний.

• Впервые апериодичные сверхрешетки использовались в качестве инжекторов электронов и дырок в биполярной диодной лазерной структуре. Наблюдаемая в таких структурах бистабильность электролюминесценции и лазерной генерации объяснена эффектами накопления и перераспределения заряда.

• Впервые наблюдалась инжекция спин-поляризованных носителей из полумагнитной сверхрешетки (CdSe/ZnMnSe). Показано, что наблюдаемая эффективность инжекции (<30%) ограничивается быстрой спиновой релаксацией в немагнитной квантовой яме, используемой в качестве оптического детектора спиновой поляризации.

• Впервые эффективность спиновой релаксации в полумагнитной сверхрешетке исследована в зависимости от величины спинового расщепления в области расщеплений, сравнимых с энергией возбуждения продольного оптического фонона. Обнаружен эффект порогового роста скорости спиновой релаксации при превышении спиновым расщеплением энергии возбуждения LO фонона.

• Впервые кинетика образования экситонных магнитных поляронов исследована в сверхрешетках и множественных квантовых ямах типа II ZnMnSe/ZnSSe. Обнаружен эффект сосуществования в одной структуре экситонов, локализованных немагнитным образом, и экситонных магнитных поляронов. Эффект объяснен наличием определенной статистики локализации электронов в немагнитных слоях ZnSSe и магнитной локализации тяжелых дырок в полумагнитных слоях ZnMnSe.

• Впервые исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства квантовых ям, квантовых точек и сверхрешеток типа II GaAs/Ga(As)Sb. Квантовые точки, сформированные в результате процессов самоорганизации при росте тонких упруго растянутых слоев GaAs в матрице Ga(As)Sb, демонстрируют яркую фотолюминесценцию вплоть до комнатной температуры в спектральной области 1.8 мкм - 2.5 мкм. В сверхрешетках обнаружена тенденция к пространственной корреляции положений квантовых точек в соседних слоях.

• Впервые получены и исследованы электролюминесценция и лазерная генерация в диодах с короткопериодной сверхрешеткой, включающей квантовые ямы и точки типа II GaAs/Ga(As)Sb.

• Впервые исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства массивов квантовых дисков со структурой зон типа II бинарного полупроводника (CdSe), не имеющего общих атомов с окружающей матрицей (ВеТе).

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Теоретический и экспериментальный подход к исследованию полупроводниковых апериодичных сверхрешеток, позволивший сформулировать принципы конструирования систем связанных квантовых ям, обеспечивающих максимальную туннельную прозрачность для носителей заряда при приложении электрического поля, обосновать применимость оптической экситонной спектроскопии для определения свойств протяженных электронных состояний в таких системах и продемонстрировать возможность приборного применения апериодичных сверхрешеток в качестве инжекторов носителей заряда в биполярных диодных структурах.

2. Оптико-спектроскопическое исследование экситонных свойств сверхрешеток и квантовых ям на основе немагнитных и полумагнитных полупроводников группы А Б , сделавшее возможным описание эволюции экситонного спектра сверхрешеток в зависимости от степени структурного беспорядка, выяснение особенностей кинетики энергетической релаксации и транспорта экситонов в немагнитных сверхрешетках CdSe/ZnSe, определение основных каналов потери спиновой поляризации в процессе инжекции спин-поляризованных носителей из полумагнитной сверхрешетки ZnMnSe/CdSe в немагнитную квантовую яму ZnCdSe и реализацию оптического переключения знака спиновой поляризации.

3. Магнито-оптическое исследование процессов магнитной локализации носителей в полумагнитных сверхрешетках и квантовых ямах типа II, показавшее возможность сосуществования в квази-равновесии экситонных магнитных поляронов и экситонов, локализованных немагнитным образом, а также неэффективность автолокализации экситонного магнитного полярона в квантовых ямах на основе ZnMnSe.

4. Комплексное исследование оптических, электронных и структурных свойств гетероструктур, включающих сверхтонкие упруго напряженные вставки GaAs в матрице Ga(As)Sb, позволившее определить морфологию слоев GaAs в зависимости от их номинальной толщины, установить тип II зонной структуры вставок, идентифицировать стадию образования малодефектных оптически активных квантовых точек, показать тенденцию к вертикальным корреляциям в положении квантовых точек в разных слоях сверхрешеток GaAs/Ga(As)Sb и продемонстрировать перспективность использования таких сверхрешеток в качестве активной области лазерных диодов, работающих в ближней и средней ИК областях спектра.

5. Оптическое и структурное исследование сверхрешеток слоев CdSe и ВеТе -бинарных соединений, не содержащих общих атомов, показавшее определяющую роль интерфейсных химических связей в процессе самоорганизации квантовых дисков и их упорядочении в трехмерном шахматном порядке, а также продемонстрировавшее применимость

спектроскопии линейно-поляризованнного света для определения симметрии электронных состояний в подобных наноструктурах.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 23-х Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:

• 23-м Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, Россия, 1996 г.)

• 2-й и 6-й Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 1996, 2003 гг.)

• 9-й Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Льеж, Бельгия, 1996 г.)

• Зимних школах ФТИ (Санкт-Петербург, 1997,2001 гг.)

• 9-й, 10-й и 11-й Международных конференциях по соединениям А2В6 (Киото, Япония, 1999 г.; Бремен, Германия, 2001 г.; Ниагара Фоллс, США, 2003 г., приглашенный доклад).

• 7-й Международной конференции по формированию полупроводниковых интерфейсов (Гетеборг, Швеция, 1999 г.).

• 6-й Международной конференции по оптике экситонов в ограниченных системах (Аскона, Швейцария, 1999).

• Международном семинаре по достижениям в росте и характеризации полупроводников группы II-VI (Вюрцбург, Германия, 1999).

• 25-й и 26-й Международных конференциях по физике полупроводников (Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Великобритания, 2002 гг.).

• 2-й Международной конференции по сверхрешеткам, наноструктурам и наноприборам (Тулуза, Франция, 2002 г.).

• Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология (Санкт-Петербург, 1996,2000,2001, 2003 гг.).

• 1-й Международной конференции по физике и применениям спин-зависимых явлений в полупроводниках (Сендай, Япония, 2000 г.).

• Международной конференции Общества исследования материалов (MRS) (Бостон, США, 2001 г.)

• 2-й Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в нитридах (Рефимнон, Греция, 2002, приглашенный доклад).

• 2-м Международном симпозиуме и летней школе "Нано- и Гига- задачи в микроэлектронике" (Краков, Польша, 2004, пленарный доклад).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 43-х печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 207 наименований. Общий объем диссертации составляет 217 страниц, включая 156 страниц текста, 89 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы предпосылки и основные причины интереса к свойствам нерегулярных полупроводниковых сверхрешеток различных типов, определяемого перспективностью их использования в приборах оптоэлектроники и спинтроники. Кратко изложены отличительные особенности этих структур и очерчен круг проблем, требовавших решения. Обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и задачи работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость.

Глава 1. Общая характеристика типов полупроводниковых сверхрешеток с нарушенной периодичностью и проблем, поднимаемых в диссертации

Первая глава представляет собой обзор текущего состояния исследований в мире по основным проблемам, поднимаемым в диссертации, и дает общую характеристику различных типов нерегулярных сверхрешеток.

В §1.1 рассмотрены основные механизмы, приводящие к нарушению строгой периодичности идеальной сверхрешеточной структуры в реальных экспериментальных образцах. К таким факторам относятся конечность реальной сверхрешетки, флуктуации толщин слоев или потенциала, а также рассеяние носителей на примесях или фононах.

В §1.2 представлен краткий обзор экспериментальных исследований вертикального транспорта носителей заряда и экситонов в сверхрешетках в зависимости от геометрических параметров структуры, температуры, мощности возбуждения и внешнего магнитного поля. Особое внимание уделено оптическому методу, позволяющему определять параметры транспорта носителей вдоль оси роста сверхрешетки без существенной модификации электронных состояний. Этот метод требует изготовление образца, представляющего собой исследуемую сверхрешетку, в которую вставлены одна или несколько расширенных квантовых ям. Исследуя фотолюминесценцию (ФЛ) из этих ям, можно определять населенность носителей в различных точках вдоль оси роста структуры и, таким образом, оценивать длину диффузии носителей заряда и кинетику их транспорта.

§1.3 посвящен обзору работ по исследованию спектра электронных и экситонных состояний в сверхрешетке, помещенной в электрическое поле. Рассмотрено образование лестницы "штарковских" состояний в идеальной сверхрешетке и проанализировано явление антипересечения уровней в сверхрешетке с одной расширенной квантовой ямой.

Особое место в ряду сверхрешеток с нарушенной периодичностью занимают сверхрешетки с плавным изменением ширины запрещенной зоны, используемые в различных приборных структурах: диодах Шоттки, вертикально-излучающих лазерах, низко-пороговых инжекционных лазерах (оптические волноводы с градиентным изменением показателя преломления) и каскадных лазерах. В

последнем случае непериодичная сверхрешетка использовалась для осуществления резонансной связи между каскадами в результате формирования электронной квази-минизоны при приложении электрического поля.

Несмотря на интуитивную очевидность идеи выстраивания квази-минизоны в электрическом поле и даже демонстрацию приборного применения этой концепции, к моменту начала диссертационной работы была опубликована только одна статья, посвященная экспериментальным оптическим исследованиям эффекта [16*]. Фактором, затрудняющим работы в этой области, была сложность исследуемых структур, приводящая к неопределенности в методе их конструирования, а также к трудностям в изготовлении, электрооптическом исследовании и интерпретации результатов. Основным методом, используемым для расчета спектра произвольных много-ямных структур, было численное решение уравнения Шредингера, а интерпретация спектроскопических данных была затруднена необходимостью учета экситонных эффектов в системе множественных связанных квантовых ям. К моменту начала работы над диссертацией были опубликованы лишь методы расчета экситонов в одиночных и сдвоенных квантовых ямах, а также в регулярных сверхрешетках.

Решение части этих проблем было найдено в процессе выполнения диссертационной работы и описано во второй главе.

В §1.4.1 рассмотрены свойства сверхрешеток и квантовых ям разбавленных магнитных полупроводников (РМП), определяемые эффектами обменного взаимодействия между локализованными электронами магнитных ионов (например, d-электронами ионов Мп2+) и свободными носителями заряда. Обменное взаимодействие может приводить к магнитной локализации носителей заряда и экситонов и образованию локальных областей намагниченности -магнитных поляронов. Энергия связи экситонного магнитного полярона (ЭМП) зависит от радиуса "затравочной" локализации экситона и самосогласованного процесса изменения локализующего потенциала. Теоретически было показано, что образование трех-мерного магнитного полярона невозможно, тогда как в квантовых ямах возможна магнитная авто-локализация свободного экситона.

В диссертационной работе экспериментальное исследование динамики формирования ЭМП проведено в структурах с квантовыми ямами и сверхрешетками ZnMnSe/ZnSSe. Особенностью выбранной системы был тип II структуры зон, что позволило исследовать свойства ЭМП в квазиравновесных условиях и разделить эффекты локализации электронов в немагнитных слоях ZnSSe и тяжелых дырок в полумагнитных слоях ZnMnSe.

§1.4.2 посвящен обзору исследований спиновой инжекции в структурах РМП и описанию свойств сверхрешеток Zn(Mn)Se/Cd(Mn)Se, используемых в диссертационной работе для исследования процессов транспорта и релаксации спин-поляризованных носителей.

Недостатком инжекторов с объемным слоем РМП является невозможность управления спиновой инжекцией с помощью внешних воздействий, например,

приложением внешнего электрического смещения. Подобный контроль над спиновой поляризацией мог бы быть осуществлен в структурах с полумагнитными сверхрешетками и квантовыми ямами. С этой целью была предложена и реализована двух-барьерная резонансно-туннельная структура с полумагнитной квантовой ямой /пМп8е, заключенной между двумя немагнитными барьерами ВеТе [17*]. Внешнее магнитное поле обуславливало спиновое расщепление электронного уровня в яме. Предполагалось, что изменение напряжения смещения на образце позволит выбирать спиновую подзону, через которую осуществляется резонансное туннелирование и, таким образом, контролировать не только величину, но и знак спиновой поляризации электронов. Величина спиновой поляризации действительно могла контролироваться напряжением, однако знак поляризации при любых напряжениях соответствовал туннелированию через нижнюю спиновую подзону. Невозможность инвертирования знака спиновой поляризации была, скорее всего, связана с большой эффективностью спиновой релаксации в полумагнитной квантовой яме.

В диссертационной работе динамика энергетической и спиновой релаксации носителей исследовалась в полумагнитных сверхрешетках /п(Мп)8е/Сё(Мп)8е, включающих немагнитную квантовую яму /пСё8е.

В §1.5 приведен краткий обзор исследований гетероструктур, включающих массивы квантовых точек, полученных методами самоорганизации при эпитаксиальном росте.

Следствием эффектов самоорганизации является отклонение морфологии слоев от планарной, что, как правило, приводит к усилению флуктуирующего потенциала и искажению структуры минизон сверхрешеток напряженных слоев. Однако, при определенных обстоятельствах, в таких структурах возможно возникновение дополнительного порядка во взаимном расположении островов, находящихся в плоскости отдельных слоев. Деформационные эффекты могут также приводить к "вертикальным" корреляциям в расположении островов, расположенных в различных слоях. С точки зрения электронных свойств таких структур были отмечены две особенности. Во-первых, эффекты упорядочивания в многослойных структурах приводят к унификации размеров и формы островов, что обуславливает уменьшение неоднородного уширения. Во-вторых, в короткопериодных структурах наблюдается длинноволновый сдвиг края поглощения, связанный с электронным взаимодействием состояний в квантовых точках. Детальные исследования электронных свойств таких структур затруднены эффектом изменения формы и размеров точек от слоя к слою, наблюдаемым в образцах с достаточно тонкими барьерами.

Во всех типах структур, исследуемых ранее, причиной формирования квантовых точек и их пространственного упорядочения являлись деформации сжатия, т.к. постоянная решетки материала точек была больше постоянной решетки более широкозонного материала окружающей матрицы. В

диссертационной работе исследуется уникальная ситуация, когда причиной процессов самоорганизации являются деформации растяжения, возникающие в слое ваАя, окруженном матрицей ва8Ь. Еще одна степень свободы, не используемая ранее при конструировании напряженных нано-структур, заключается в использовании гетеропар материалов, не содержащих общих атомов. В диссертационной работе исследуются свойства массивов квантовых точек, полученных методами самоорганизации в многослойных структурах CdSe/BeTe, содержащих сильно-деформированные интерфейсные химические связи Cd-Te и Ве^е, не встречающиеся в объеме составляющих слоев.

В §§1.6.1 и 1.6.2 обсуждаются симметрийные свойства интерфейсов и квантовых ям в образцах со структурой цинковой обманки, соответствующей большинству эпитаксиальных гетероструктур соединений групп А2В6 и А3В5. Точечная группа симметрии Td решетки типа цинковой обманки в присутствии резкого интерфейса сводится к значительно более низкой симметрии группы C2v, для которой эквивалентность направлений [ПО] и [1-10] в плоскости интерфейса нарушена. В квантовой яме бинарных соединений, содержащих общий анион или катион, левый и правый интерфейсы переходят друг в друга при зеркальном повороте на 90° вокруг главной оси z || [001]. Поэтому структура с квантовой ямой типа СА/С'А/СА(001) характеризуется достаточно высокой симметрией Dd, при которой оптическая анизотропия в плоскости интерфейсов (х,у) отсутствует.

В гетеропаре СА/С'А' с различным катионно-анионным составом, например, InAs/GaSb или ZnSe/BeTe, гетерограница СА-на-С'А' состоит из двух плоскостей, содержащих атомы А и С для границы типа С-А-С'-А' или атомы С и А' для границы типа А-С-А'-С\ При выращивании материала С'А' на СА имеется также две возможности: С'-А'-С-А и А'-С'-А-С. Таким образом, при существует четыре варианта квантовой ямы. Обычно при выращивании структуры с квантовыми ямами в отсутствии специального контроля предпочтение имеет вариант с интерфейсами С'-А'-С-А и С-А-С'-А', в которых на плоскость, заполненную катионами одного материала, наращивается плоскость с анионами другого материала. Эти два интерфейса с различными внутренними связями А'-С и А-С не переходят друг в друга ни при каком ортогональном преобразовании, структура с квантовой ямой сохраняет симметрию C2v и ее оптические свойства в поляризациях е || [ПО] и е || [1-Ю] должны различаться. Оптическая анизотропия в гетероструктурах без общих катионов и анионов была предсказана Кребсом и Вуазеном [13*]. Описание этой анизоторопии осуществлялось в рамках полукачественного подхода (модель или с использованием численного расчета, выполненного в микроскопической модели сильной связи. Позднее теория оптической анизотропии и размерноквантованного эффекта Поккельса в структурах с квантовыми ямами с различным катионно-анионным составом была развита на основе обобщенного метода плавных огибающих [18*].

Для наблюдения латеральной оптической анизотропии в (001) квантовой яме необходимо нарушить рото-инверсионную симметрию идеальной квантовой ямы, что может быть обеспечено, например, изготовлением квантовой ямы с химически отличающимися левым и правым интерфейсами или приложением внешнего электрического поля вдоль оси роста структуры. Для обычных квантовых ям оптическая анизотропия, связанная со снятием рото-инверсионной симметрии, как правило, мала. Тем не менее, известны несколько специальных случаев, когда степень такой анизотропии приближается к 100%. В одном из них значительное усиление оптической анизотропии наблюдалось в квантовых ямах InGaAs/InP вследствие резонансного замешивания основного уровня легких дырок и первого возбужденного уровня тяжелых дырок [14*]. Другой случай представлен квантовыми ямами типа II ZnSe/BeTe с большими разрывами зон на интерфейсах, как для электронов, так и для дырок. Вследствие высоких барьеров, перекрытие волновых функций электронов и дырок осуществляется в очень узкой области вблизи интерфейса (2-3 МС). Поэтому линейная поляризация интерфейсной ФЛ в таких структурах непосредственно отражает преимущественную ориентацию интерфейсных химических связей, достигая степени поляризации ~80% [15*].

Все известные исследования линейной поляризации ФЛ в структурах с различным катионно-анионным составом проводились в гетероструктурах с квантовыми ямами, позволяя получить ценную информацию о свойствах интерфейсов. Не меньший интерес могут представлять аналогичные исследования в структурах с квантовыми точками и дисками. В разделах 5.3 и 5.4 диссертационной работы представлен первый экспериментальный подход к такому исследованию.

Глава 2. Апериодичные сверхрешетки в системе GaAs/AlGaAs: принципы конструирования, оптические и транспортные свойства

Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям электронных и экситонных свойств нерегулярных сверхрешеток в электрическом поле, приложенном перпендикулярно интерфейсам.

В §2.1 электронный спектр сверхрешетки с расширенной квантовой ямой и апериодичной сверхрешетки в электрическом поле исследуется теоретически в рамках метода сильной связи, а также с помощью численного решения одномерного уравнения Шредингера [1].

Для полуограниченной сверхрешетки с периодом заканчивающейся

расширенной квантовой ямой с шириной с, в присутствии однородного электрического поля Ж метод сильной связи в приближении ближайших соседей позволил получить аналитическое уравнение, описывающее спектр электронных состояний:

где

Jn_y - функция Бесселя, х = —//е/ч/, /ц и / - интегралы переноса между расширенной ямой и ее соседом (1о) и между двумя соседними ямами сверхрешетки (Г). Ес и Еа представляют собой энергии квантования электронов в изолированных квантовых ямах с ширинами с и а, Е0=ЕС, Ем = Еа-еРг11, а г„ + (и£1) являются координатами центров квантовых ям

сверхрешетки.

В специальном случае идеальной полубесконечной сверхрешетки (с=а, 1о~Г) уравнение (1) сводится к

Аналогичное по виду выражение было ранее получено в модели бесконечной сверхрешетки в электрическом поле [5*, 19*]. Однако для бесконечной сверхрешетки индексы v являются целыми числами и штарковская лестница состояний, эквидистантна. Для полубесконечной сверхрешетки

индексы V целыми не являются и положение верхних по энергии уровней в квантовых ямах, приближающихся к краю, отклоняется от точной линейной зависимости.

При определенных приближениях, сформулированных в диссертации, интегралы переноса между й ямой и ее левым и правым соседом могут

быть вычислены аналитически. Эти приближения хорошо выполняются для достаточно узких квантовых ям в не слишком большом электрическом поле и при умеренно сильной связи между ямами, позволяя решать достаточно широкий круг практических задач. В частности, метод сильной связи может быть эффективно использован для конструирования апериодичной сверхрешетки, в которой минизона выстраивается в определенном электрическом поле Гс. В такой структуре последовательный ряд ям и барьеров должен

удовлетворять следующим соотношениям:

ямах будут выровнены по энергии. Так как все интегралы

переноса между соседними ямами одинаковы, квази-минизона дискретных уровней формируется точно так же, как и в периодичной конечной сверхрешетке в нулевом электрическом поле:

Е(к) = £° + 2/со5[я*/(ЛГ +1)]], 1,2,...Д (5)

Для иллюстрации эффективности предложенного метода, для системы GaAsZAlo.4Gao.6As была сконструирована 9-ямная структура, задаваемая параметрами В/см. Схематическое изображение

зоны проводимости структуры приведено на вставке к рис. 1. Ширины квантовых ям плавно уменьшаются от ау= 80 А до ар= 10 А, тогда как ширины барьеров увеличиваются от Зависимости энергий электронных уровней

от электрического поля были рассчитаны с использованием метода сильной связи (пунктирные линии) и численным решением уравнения Шредингера (сплошные линии). Множественное антипересечение уровней при Г=РС отражает выстраивание квази-минизоны с шириной мэВ, в согласии с выражением

(5). Отличное совпадение расчетов, сделанных двумя методами, подтверждает применимость метода сильной связи для конструирования апериодичных сверхрешеток с заданными свойствами.

В §2.2.1 обсуждается метод расчета экситонного спектра систем множественных связанных квантовых ям, например, апериодичной сверхрешетки [1,2]. Для расчета к-экситонных состояний использовался вариационный метод, использующий пробную экситонную функцию в факторизованном виде:

(6)

где

Яр)-

„-р<ч

(7)

Г2, Г, и г„ -

- одночастичные волновые функции, координаты электрона и дырки, и - вариационный параметр, описывающий относительное движение электрона и дырки в (х,у) плоскости.

В случае апериодичной сверхрешетки электронная волновая функция разлагалась по одночастичным состояниям отдельных ям:

= (8)

где - численно рассчитанные и нормированные на длину одно-частичные

волновые функции с энергией - коэффициенты разложения,

определяющие степень замешивания в экситоне различных электронных состояний. Энергии экситонов и коэффициенты разложения вычислялись в результате процедуры минимизации при подстановке пробной функции в экситонный гамильтониан.

Redistributed wave function

Single-panicle wave function

Qaaatminibend

Electron ftatee

Hole •täte«

В §2.2.2 приводятся результаты электро-оптических исследований апериодичной сверхрешетки [2,4]. Образец представлял собой p-i-n диод, изготовленный методом МПЭ. В центре i-области помещалась 9-периодная апериодичная

сверхрешетка Alo íGao eAs/GaAs. Толщины ям и барьеров сверхрешетки рассчитывались по методу сильной связи, так чтобы обеспечить выстраивание квази-минизоны в

электрическом поле В/см. Интегралы переноса

82 6 60 8 86 1 30 2 247 203 1в4 180 89 1И2 267 32« 37 8 42 0 47 0 В26 59В

Рис.2

электронной волновой функции между соседними квантовыми ямами брались одинаковыми /=6 мэВ, определяя ширину квази-минизоны 4/=24 мэВ. Схематическое изображение валентной зоны и зоны проводимости апериодичной сверхрешетки приведено на рис. 2 вместе с таблицей толщин ям и барьеров.

Для исследования спектра экситонных состояний измерялись низкотемпературные (2К) спектры ФЛ и возбуждения ФЛ (ВФЛ) при различных обратных смещениях диода. Вблизи критического поля в спектрах ВФЛ наблюдалось появление дополнительных пиков "непрямых" экситонов. Энергии некоторых пиков показаны на рис. 3 крестами вместе с результатами теоретической подгонки энергии (сплошные линии) и силы осциллятора (толщина линий) экситонов, входящих в мультиплет линий, возникающий вблизи экситона е2-1НН2. Из подгонки видно, что три основных наблюдаемых пика являются результатом замешивания экситонов е1-1НН2, е2-1НН2, и еЗ-1НН2. Наблюдение тройного резонанса является прямым следствием

замешивания экситонов,

индуцированного формированием

электронной квази-минизоны, что демонстрирует протяженный характер экситонных состояний в области резонанса. Согласование расчетных и экспериментальных энергий экситонов непосредственно в области выстраивания квази-минизоны требовало учета замешивания по меньшей мере 6-ти экситонных состояний (el-еб).

Спектры ВФЛ отражают как поглощение света, так и транспорт фотовозбужденных носителей от места возбуждения к месту детектирования. Вблизи Рс в зоне проводимости сверхрешетки формируется открытая с одной стороны квази-минизона, что приводит к малым туннельным временам жизни электронов (порядка нескольких пикосекунд), сравнимым с характерными временами связывания экситона и меньшим времени экситонной рекомбинации. В этих условиях вклад в спектр ВФЛ "непрерывной" составляющей будет уменьшаться, приводя к гашению сигнала ФЛ. Однако при резонансном возбуждении экситона кулоновское притяжение электрона и дырки обуславливает дополнительную локализацию электрона вблизи области рекомбинации, препятствуя его быстрому туннельному уходу за границы сверхрешетки. Существенность кулоновского механизма локализации продемонстрирована на рис. 2, где приведены одно-частичная волновая функция состояния е1 (пунктирная линия) и волновая функция электрона в е1-1НН1 экситоне, рассчитанная вблизи резонанса с учетом перераспределения электронной плотности. Вблизи туннельный уход электронов через квази-минизону становится доминирующим фактором, приводящим к полному исчезновению нерезонансного вклада. В спектре ВФЛ остаются только резонансные экситонные линии, причем эффект относительного увеличения интенсивности максимален для самого нижнего экситона, как находящегося в непосредственной близости от области рекомбинации.

Таким образом, экспериментально показана работоспособность концепции апериодичных сверхрешеток, базирующейся на приближении сильной связи, и подтверждено формирование электронной квази-минизоны, обуславливающей эффективный транспорт электронов вдоль оси роста структуры и замешивание экситонных состояний из различных квантовых ям.

§§2.3.1 и 2.3.2 посвящены обсуждению экспериментальных исследований люминесцентных свойств АЮаАв/ОаАв лазерных диодов, включающих короткие апериодичные сверхрешетки [3,5,6,7]. Возможными приборными применениями подобных структур являются резонансно-туннельные свето-излучающие диоды и лазеры с туннельной инжекцией.

Центральная нелегированная часть исследуемого Alo.4Gao.6As/GaAs р-1-п диода представляла собой квантовую яму, окруженную много-барьерными резонансно-туннельными структурами (рис. 4). Толщины слоев были рассчитаны так, чтобы в определенном электрическом поле,

соответствующем прямому смещению диода, в окружающих квантовую яму апериодичных

сверхрешетках выстраивались квази-минизоны, как для электронов, так и для дырок, включающие в себя первые возбужденные состояния в квантовой яме.

Спектры ФЛ и спонтанной электролюминесценции (ЭЛ) измерялись в образце с окном диаметром 600 мкм, вытравленным в верхних контактных слоях методом химического травления. Характерной чертой всех образцов при достаточно низкой температуре было наблюдение бистабильности в вольт-амперных характеристиках. На вставке к рис. 5 приведена типовая !-У характеристика, полученная при изменении прямого смещения на образце от 0 В до 2.4 В и обратно. Зависимость демонстрирует гистерезис с нижней токовой ветвью, соответствующей увеличению напряжения смещения. На рис. 5 приведена серия спектров ЭЛ (нормированных на ток), измеренных при разных токах при увеличении напряжения. Основная линия ЭЛ демонстрирует два резонанса, отмеченные на рис. 5 как "А" и "В". Резонанс "А" сопровождается появлением плеча с длинноволновой стороны основного пика, а резонанс "В" ассоциируется с прыжком тока, наблюдаемым в ^ характеристике при -1.9 В прямого смещения. При дальнейшем увеличении тока эффективность электролюминесценции быстро падает.

Для уточнения природы наблюдаемых резонансов был произведен расчет спектра электронных и дырочных состояний в структуре в результате самосогласованного численного решения уравнений Шредингера и Пуассона. Согласно проведенному анализу, вплоть до напряжений 1.5 В носители в центральной квантовой яме отсутствуют. При больших напряжениях первыми в квантовой яме начинают аккумулироваться электроны, тогда как дырки отсутствуют вплоть до напряжений 1.6 В. Резонанс "А" соответствует частичному выстраиванию уровней уровнем тяжелых дырок в центральной яме, приводящему к накоплению в квантовой яме тяжелых дырок. Увеличение прямого смещения до 1.88 эВ приводит к заселению первой возбужденной подзоны тяжелых дырок. В этих условиях спектры ЭЛ

демонстрируют две особенности, соответствующие переходам между основной электронной подзоной и основной и первой возбужденной дырочными подзонами в

центральной квантовой яме. Накачка верхней подзоны происходит резонансно, а нижняя подзона заполняется, в основном, за счет

межподзонной релаксации дырок.

При дальнейшем увеличении напряжения структура переходит на верхнюю ветвь гистерезиса, что соответствует "В" резонансу на рис. 5 Наблюдаемая бистабильность определяется возможностью двух метастабильных распределений заряда при определенном напряжении. Нижняя ветвь гистерезиса соответствует электронной и дырочной квази-минизонам, выстроенным не полностью из-за сильного искажения потенциала, вызванного аккумуляцией в центральной области носителей заряда одного знака - электронов. Верхняя ветвь отвечает состоянию с выстроенными минизонами, более равномерной инжекцией электронов и дырок и другому распределению зарядов в системе.

Для исследования волноводной ЭЛ и лазерной генерации использовались меза-полосковые волноводные образцы, изготовленные с помощью фотолитографии. По сравнению с образцами с вытравленным окном, волноводные образцы демонстрировали 1-У характеристики с более отчетливо выраженной областью отрицательного дифференциального сопротивления, что связано с формированием более однородной контактной области в меза-структурах и меньшей площадью волноводных приборов, т.е меньшим вкладом токов утечки В коротких образцах гистерезис 1-У характеристики наблюдался вплоть до 160 К. Спектры ЭЛ волноводных образцов в области малых токов в основном повторяют спектры поверхностной ЭЛ. При токах, находящихся за точкой поворота 1-У характеристики на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением, линия ЭЛ с большей энергией демонстрирует спектральное сужение и пороговый рост интенсивности, те начало лазерной генерации.

Глава 3. Кинетика транспорта и релаксации носителей в сверхрешетках Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se

В третьей энергетического

релаксации экситонов в короткопериодных сверхрешетках с различной степенью разупорядоченности, как немагнитных (CdSe/ZnSe), так и полумагнитных (СёМ^е//пМ^е). В последнем случае акцент делался на исследовании процессов транспорта, инжекции и релаксации спин-поляризованных носителей.

В §3.1.1 исследуется экситонный спектр структур со слоями CdSe/ZnSe различной степени разупорядоченности. Результаты опубликованы в работах [10-13,15,16].

Короткопериодные (период ~3 нм) сверхрешетки CdSe/ZnSe исследовались

главе приведены результаты оптических исследований спектра и динамики

27

Епегду, еУ

Рис. 6

зависимости от номинальной толщины слоев CdSe (в диапазоне 0.2-1.15 МС) методом спектроскопии ВФЛ. Усредненные по площади значения периода и номинальной толщины слоев, а также вид профиля распределения Cd в слоях были получены в результате симулирования измеренных кривых качания дифракции рентгеновских лучей. Эти данные использовались для теоретического моделирования спектра поглощения света конечными сверхрешетками с использованием модификации вариационного метода, рассмотренного в §2.2.1.

На рис. 6 показаны экспериментальные (сплошные линии) и рассчитанные (пунктирные линии) спектры для двух образцов: с номинальными толщинами CdSe слоев 1.15 МС (а) и 0.4 МС (Ь). Различие спектров для сверхрешетки с более толстыми слоями находится далеко за пределами точности как экспериментального, так и теоретического методов, что говорит о неадекватности используемого в расчете предположения о латеральной однородности слоев. Действительно, кроме эффекта дополнительной локализации, формирование протяженных плоских областей с повышенной концентрацией Cd, подтвержденное измерениями ПЭМ, приводит к изменению формы экситонного спектра сверхрешетки вследствие двух основных причины. Во-первых, формирование областей с повышенным содержанием Cd подразумевает наличие в слое областей с содержанием Cd меньше среднего. Поглощение света в этих областях должно приводить к увеличению поглощения при энергиях, соответствующих краю поглощения квантовых ям соответствующего состава. Во-вторых, в короткопериодных сверхрешетках можно ожидать реализации различных локальных вертикальных конфигураций электронно-связанных островов, что тоже может оказывать влияние на форму спектра.

В пренебрежении эффектами латерального ограничения в островах с размерами, превышающими боровский радиус экситона, спектры различных локальных конфигураций могут быть рассчитаны как экситонные спектры соответствующих систем связанных квантовых ям. Поэтому для описания спектра поглощения набора слоев, включающих плоские острова, было произведено симулирование экситонного спектра путем статистического суммирования спектров, рассчитанных для основных конфигураций электронно-связанных квантовых ям. При этом предполагалось наличие двух типов плоских участков в плоскости каждой ямы, представляющих собой градиентный слой ZnCdSe с гауссовым распределением Cd с полной шириной на полувысоте 5 МС и отличающихся содержанием Cd в максимуме (34% для островов и 12% для латеральных барьеров между ними, согласно данным ПЭМ). Для достижения удовлетворительной подгонки формы экспериментального спектра надо было предположить доминирование конфигураций с малым числом связанных ям (меньше 4-х). Пример спектра, симулированного таким образом показан на рис. 6 (а) точками. Разумное согласие формы рассчитанного спектра с экспериментальным иллюстрирует применимость используемой модели для описания спектра поглощения разупорядоченных сверхрешеток. С другой

стороны, спектр поглощения Сё8е//п8е сверхрешеток с номинальными толщинами не превышающими 0.5-0.6 МС удовлетворительно описывается в рамках модели однородных слоев /пСё8е с усредненными параметрами, полученными из экспериментов по рентгеновской дифракции (см. рис. 6 (Ь)).

В §3.1.2 обсуждаются исследования кинетики релаксации экситонов в сверхрешетках Сё8е//п8е при монохроматическом возбуждении [8,9,14].

Динамические свойства горячих экситонов вблизи порога подвижности исследовались в сверхрешетках Сё8е//п8е со вставленной расширенной квантовой ямой /пСё8е. ФЛ термализованных экситонов в таких образцах существенно подавлена из-за эффективного транспорта экситонов по минизоне сверхрешетки с последующим захватом в расширенную яму. Исследовался образец, включающий 10-периодную Сё8е//п8е сверхрешетку с периодом 3,2 нм и номинальной толщиной слоев 0.8 МС. Параметры образца выбирались с таким расчетом, чтобы минизонный транспорт был достаточно эффективным, обеспечивая уверенное наблюдение линий ФЛ горячих экситонов. С другой стороны, такие слои Сё8е были бы в достаточной степени разупорядочены, сохраняя специфику динамики экситонов в нерегулярной сверхрешетке, представляющей интерес в этом исследовании.

На рис. 7 показаны спектры ФЛ, измеренные при различных длинах волн возбуждающего света (сплошные линии), а также спектр ВФЛ, измеренный при детектировании излучения из расширенной квантовой ямы /пСё8е (пунктирная линия). Наблюдается сложная структура узких линий, положение которых привязано к энергии, отстроенной от линии возбуждения на целое число ЬО фононов /п8е (31.9 мэВ). Исследования с временным разрешением показали, что пики ФЛ, находящиеся внутри экситонного контура, демонстрируют конечные детектируемые времена жизни, что позволяет отличить наблюдаемый процесс от рамановского рассеяния и фононных повторений ФЛ горячих экситонов с большим волновым вектором.

Вид линий ФЛ зависел от положения относительно максимума экситонного контура. При нахождении резонансной энергии в области локализованных экситонов на длинноволновом крыле контура, наблюдаемый спектр включал несколько сливающихся пиков, соответствующих разным фононам. Можно предположить, что наблюдение многопичковой структуры в этой области определяется релаксационными процессами с участием

фононов селенида цинка, соответствующих всему колебательному энергетическому

2 65 2 66 2 67 2 68 Энергия (эВ)

Рис. 7

диапазону, т.к. связывание экситонов с оптическими фононными модами вне центра зоны Бриллюэна не запрещено для локализованных экситонов. Возможен также вклад интерфейсных оптических фононов и фононов с энергией возбуждения близкой к оптическим фононам чистого селенида кадмия, т.к. фононные моды твердых растворов ZnCdSe носят смешанный характер. Когда релаксационный каскад с участием LO фононов оканчивается на коротковолновом краю экситонного пика, в спектре доминирует узкий пик, соответствующий энергии экситонов в неравновесном распределении, сформированном в результате резонансного релаксационного процесса. О протяженном характере экситонных состояний при этих энергиях свидетельствует заметное ослабление вкладов других фононов, связывание с которыми разрешено или усилено для локализованных экситонов, а также очевидная эффективность минизонного транспорта, препятствующая равномерному заселению ниже-лежащих локализованных состояний.

Тем не менее, существует ряд фактов, не позволяющих рассматривать все состояния на коротковолновом крыле экситонного контура как свободные, т.е. находящиеся выше края подвижности. Во-первых, в пределах всего экситонного контура времена жизни ФЛ превышают собственное радиационное время жизни свободного экситона, которое для структур на основе ZnSe оцененивается как 1520 пс. Это означает, что экситонное излучение в пределах всего контура экситонного поглощения соответствует экситонам скорее локализованным, чем свободным. Кроме того, аналогичные узкие пики с энергией превышающей резонансную энергию экситона наблюдались при ' монохроматическом возбуждении с энергией на один LO фонон выше, что тоже свидетельствует о локализованном характере излучающих состояний, т.к. бесфононное излучение разрешено для свободных экситонов только при волновом векторе

Полученные результаты демонстрируют ограниченность применения понятие экситонного края подвижности к CdSe/ZnSe сверхрешеткам с достаточно толстыми слоями. Действительно, можно говорить об энергии, близкой к максимуму экситонного пика в спектре ВФЛ, ниже которой протяженные экситонные состояния фактически отсутствуют. В определенном смысле, эта энергия может называться экситонным порогом подвижности. Выше порога значительная часть экситонных состояний может рассматриваться как протяженные, т.к. их заселение обуславливает эффективный транспорт вдоль оси роста сверхрешетки. Тем не менее, анализ резонансной ФЛ в этой области показывает, что, по крайней мере, часть экситонов в пределах всего коротковолнового крыла экситонного контура тоже имеет локализационную природу. По своим свойствам эти локализованные состояния отличаются от состояний хвоста экситонной зоны большим радиусом локализации и, вероятно, определяются изменениями потенциала на "макроскопической" шкале длин. В CdSe/ZnSe сверхрешетке существование корреляций в шероховатостях интерфейсов на шкале размеров, сильно превышающих боровский радиус

экситона, представляется весьма вероятным, как в плокости слоев (из-за наличия протяженных плоских островков с повышенным содержанием Cd), так и в направлении роста (из-за возможности реализации локальных вертикальных конфигураций, включающих несколько электронно-связанных островков).

В §3.1.3 рекомбинационные процессы исследуются в структурах с тонкими слоями Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se в зависимости от величины внешнего магнитного поля, толщины слоев, концентрации Мп и конструкции образцов [17-18].

Измеренные времена жизни ФЛ сильно зависели от концентрации Мп и от относительной вероятности нахождения электрона и дырки в Мп-содержащей области, что свидетельствует о наличии эффективных каналов безызлучательной рекомбинации, связанных с внедренными ионами Мп2+. Приложение внешнего магнитного поля увеличивает характерные времена затухания ФЛ и стимулирует значительный рост интенсивности излучения. Аналогичное наблюдение для CdMnSe/ZnSe образцов ранее связывалось с подавлением магнитным полем переноса возбуждений между экситонами и системой ионов марганца, что сопровождалось уменьшением интенсивности линии излучения около 2.0 эВ, определяемой переходами между электронными оболочками внутри иона Мп2+. Среди образцов, исследуемых в диссертационной работе, подобное поведение наблюдалось только для некоторых структур типа ZnSe/CdMnSe, и никакого влияния магнитного поля на интенсивность линии ФЛ вблизи 2.0 эВ не было обнаружено в образцах типа ZnMnSe/CdSe.

Различие в поведении образцов отражает, вероятно, наличие нескольких механизмов, обуславливающих усиление экситонной ФЛ при приложении магнитного поля. Для образцов с большой структурной неоднородностью этот эффект может быть частично объяснен локализующим действием магнитного поля на волновые функции носителей, затрудняющий их проникновение в области с увеличенной эффективностью безызлучательной рекомбинации. Тем не менее, в части исследованных образцов механизм усиления экситонной ФЛ с ростом магнитного поля остается не выясненным.

В §§3.2 и 3.3 исследуются процессы инжекции, транспорта и релаксации спин-поляризованных носителей в образцах, включающих CdSe/ZnMnSe полумагнитную сверхрешетку, оканчивающуюся более глубокой немагнитной квантовой ямой ZnCdSe [19-26].

Исследуемые образцы включали 10-ти периодную сверхрешетку 2по9бМпоо4§е/Сс18е с периодом 4 нм и номинальной толщиной слоев CdSe в диапазоне 0.5-0.7 МС, а также примыкающую к ней квантовую яму Хщ75СйогбЗе/ЕпБе толщиной 7 нм (см. рис. 8). С точки зрения использования в спинтронных приборах, такая сверхрешетка может рассматриваться, как полумагнитный слой "цифрового" твердого раствора с технологически легко контролируемыми транспортными свойствами.

При селективном возбуждении ZnCdSe квантовой ямы ее излучение в магнитном поле оказывается слабо поляризовано, что согласуется с положительным знаком и малой величиной экситонного ^-фактора селенидов цинка и кадмия. При возбуждении выше энергии экситона в ZnMnSe/CdSe сверхрешетке знак циркулярной поляризации излучения квантовой ямы меняется с О на О , свидетельствуя об эффективной инжекции спин-поляризованных электронов и дырок из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную квантовую яму. Действительно, нижним экситоном в полумагнитной сверхрешетке в магнитном поле является экситон |-1/2,+3/2>. Будучи инжектированными в квантовую яму, |-1/2> электроны и |+3/2> дырки увеличивают число |-1/2,+3/2> экситонов, обуславливая инвертированную заселенность экситонных уровней и усиление <7+ компоненты ФЛ. Максимальная измеренная эффективность спиновой инжекции была в диапазоне 30-35%. Это значение не связано с ограничением спиновой поляризации носителей в сверхрешетке, близкой к 100%. Существенных потерь поляризации не происходит и в процессе туннельной инжекции, т.к. полученное значение не зависело от толщины немагнитного туннельного барьера. Таким образом, основным ограничением является потеря спиновой поляризации во время релаксации и последующего высвечивания экситонов в ZnCdSe квантовой яме.

Для исследования процесса спиновой релаксации в полумагнитной сверхрешетке использовались два способа. В первом случае определялась эффективность спиновой инжекции из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную квантовую яму в условиях селективного возбуждения

монохроматическим излучением. Во втором методе индикатором

эффективности являлась степень циркулярной поляризации линий горячей ФЛ.

При резонансном возбуждении экситонов в верхней спиновой подзоне конкурирующими релаксационными

механизмами являются прямая инжекция в яму селективно возбужденных |+1/2,-3/2> экситонов и составной процесс,

ПМв ЕХСГГСЮ 8РПЧ ЯЧЛТТПЧС (шеУ)

Рис.9

включающий релаксацию экситонов на нижнюю спиновую подзону и инжекцию в яму экситонов |-1/2,+3/2>. Поляризация излучения квантовой ямы определяется относительной эффективностью двух механизмов и может служить индикатором эффективности спиновой релаксации между двумя состояниями экситона в сверхрешетке. На рис. 9 приведены измеренные зависимости степени поляризации ФЛ квантовой ямы от величины спинового расщепления в сверхрешетке при резонансном возбуждении нижнего (штриховая линия) или верхнего (сплошная линия) экситона. Эффективность межподзонной релаксации зависит от спинового расщепления между подзонами, резко усиливаясь, когда спиновое расщепление превышает энергию возбуждения LO фонона.

В другой серии экспериментов исследовались спектры циркулярно поляризованной горячей ФЛ. В относительно сильных магнитных полях, когда спиновое расщепление превышает энергию возбуждения LO фонона, селективное возбуждение экситонов вблизи дна верхней спиновой подзоны светом о' поляризации обуславливает О поляризацию резонансного пика горячей ФЛ, наблюдаемого на 1 LO фонон ниже возбуждения. Смена знака поляризации по сравнению с поляризацией возбуждающего света показывает, что энергетическая релаксация с верхней спиновой подзоны на нижнюю сопровождается переворотом спина экситона с одновременным испусканием LO фонона. В слабых магнитных полях, когда величина спинового расщепления оказывается меньше энергии LO фонона, аналогичный узкий пик ФЛ, отстроенный от возбуждающей линии на энергию LO фонона, сохраняет поляризацию возбуждающего света.

Теории процессов спиновой релаксации экситонов, сопровождаемой испусканием оптического фонона, в настоящее время не существует. Можно предположить, что причиной быстрого (порядка одной пикосекунды) переворота спина носителей является их сильное обменное взаимодействие с магнитными ионами После столкновения с примесью проекция спина частицы на ось

квантования меняется согласно Д« = ±1, тогда как соответствующая проекция спина иона Мп2+ изменяется согласно &т(Мп2*) = Т1.. В таком процессе энергия, передаваемая спинам марганца, или забираемая от них, относительно мала в силу малости зеемановского расщепления для ионов марганца. С другой стороны, разница в энергиях экситонов |+1/2,-3/2> и |-1/2,+3/2> может быть компенсирована испусканием LO фонона. Точная идентификация механизма наблюдаемого процесса в настоящий момент не возможна из-за недостатка данных о роли оптических фононов в процессах переворота спина.

Несмотря на неопределенность в теоретическом объяснении экспериментальных результатов, полученные данные имеют практическую значимость для конструирования спинтронных приборов, использующих эффекты транспорта через состояния верхней спиновой подзоны в структурах РМП. Для моделирования функции "переключения спина", была сконструирована специальная структура, где в качестве "спинового поляризатора" использовался

слой РМП 2по95Мпоо58е толщиной 10 нм. В слабых магнитных полях при небольшом изменении длины волны возбуждающего света, соответствующей резонансному возбуждению верхней или нижней спиновой подзоны, осуществлялась функция переключения не только величины, но и знака спиновой поляризации носителей в квантовой яме. В сильных магнитных полях, когда спиновое расщепление превышало энергию возбуждения LO фонона, эффект спинового переключения был недостижим из-за быстрой спиновой релаксации. В электрическом варианте прибора оптическое монохроматическое возбуждения может быть заменено резонансной туннельной инжекцией носителей.

Глава 4. Оптическая спектроскопия экситонных магнитных поляронов в полумагнитных квантовых ямах типа II ZnMnSe/ZnSSe

В четвертой главе динамика формирования экситонных магнитных поляронов (ЭМП) исследуется в специально сконструированных квантовых ямах и сверхрешетках ZnMnSe/ZnSSe [27-30].

§4.1 посвящен определению разрывов зон на гетероинтерфейсе ZnMnSe/ZnSSe. Все исследуемые образцы были спроектированы с применением концепции компенсации напряжений, когда деформации сжатия в слоях ZnMnSe, выращенных псевдоморфно на подложке GaAs, компенсировались деформациями растяжения в слоях твердого растворы ZnSSe. Для теоретической оценки величины разрывов зон на гетероинтерфейсе в нулевом

магнитном поле были использованы ранее опубликованные данные о разрывах зон на интерфейсах и "правило

транзитивности". Проведенный анализ данных магаито-ФЛ позволил уточнить величины разрывов зон и сделать вывод о типе II квантовой ямы Ъщ. хМпх8е/2п8у8е1.у, где электроны локализованы в слое 2п8у8е].у, а дырки в Хп^ хМпх8е.

В §4.2.1 исследовалась экситонная ФЛ при непрерывном возбуждении в образцах с квантовыми ямами и сверхрешетками 2п1.хМпх8е/2п8у8е1-у. В структурах, где содержание марганца в 2п1.хМпх8е превышало 3-4%, в спектрах ФЛ вблизи края поглощения систематически наблюдались два пика. Для выяснения их природы были подробно исследованы два характерных образца (А и В), содержащих по 10 периодов квантовых ям /пМп8е//п88е: 10*[36А-Ъщ 88Мп0128е/68А-2п50 мБеом]) дня образца А и \0*[1Ак-ЪщмМп0168е/188А-для образца В. В более короткопериодной сверхрешетке образца А существенное перекрытие электронных волновых функций с волновыми функциями тяжелых дырок определяет большую силу осциллятора экситона, несмотря на то, что соответствующие переходы в структуре типа II являются пространственно непрямыми. Достаточно большая сила осциллятора обуславливает, с одной стороны, возможность наблюдения экситонного пика в спектре коэффициента поглощения, а с другой стороны - относительно быстрые времена рекомбинации (50-100 пс), недостаточные для полного формирования ЭМП. В структуре В с более широкими квантовыми ямами, перекрытие волновых

функций электронов и дырок из соседних слоев заметно слабее, что определяет более длинные ожидаемые радиационные времена жизни экситона позволяющие

исследование ЭМП в равновесных условиях. С другой стороны, малая сила осциллятора экситона в этом образце делает невозможным наблюдение экситонного пика _ в спектре коэффициента поглощения.

Во внешнем магнитном поле пики ФЛ становятся поляризованными и

сдвигаются в сторону меньших энергий, демонстрируя эффект гигантского зеемановского расщепления экситонных уровней. Величины сдвигов для двух поляризованных пиков отличаются - нижний

Рис. 10

пик сдвигается медленнее, так что, начиная с определенных магнитных полей, два пика сливаются. Для определения величины стоксова сдвига линии ФЛ по сравнению с резонансной энергией экситона в образце А были измерены спектры ВФЛ при приложении магнитного поля. Энергии основных пиков экситонов, наблюдаемых в ст+ и ст' спектрах ФЛ и ВФЛ образца А, приведены на рис. 10 (а). Для верхнего пика зависимость стоксова сдвига от магнитного поля в пределах погрешности измерения отсутствует (см. рис. 10 (Ъ)), что позволяет предположить слабый вклад локализации магнитного характера. Стоксов сдвиг, соответствующий нижнему пику ФЛ уменьшается с ростом магнитного поля, стабилизируясь при магнитных полях 2.5-ЗТ на значении 4-8 мэВ. Такое поведение характерно для излучения ЭМП, т.к. превышение внешним магнитным полем эффективного обменного поля внутри магнитного полярона приводит к разрушению ЭМП. Общие тенденции поведения пиков ФЛ позволяют предположить действие в образце В аналогичных локализационных механизмов.

Увеличение температуры приводит к быстрому гашению нижнего пика и его голубому сдвигу, что соответствует процессу термического разрушения ЭМП. При 15-20 К пик полностью гаснет. Верхний пик ФЛ с начальным ростом температуры демонстрирует противоположный эффект - рост интенсивности и длинноволновый сдвиг. Таким образом, характер зависимости спектра ФЛ от магнитного поля и температуры позволяет объяснить верхний по энергии пик (1«) излучением экситонов, локализованных, в основном, немагнитным образом, тогда как поведение нижнего пика (I ) подразумевает формирование ЭМП.

В §4.2.2 обсуждаются результаты измерений ФЛ с временным разрешением. Из-за больших радиационных времен жизни экситонов и лучшей разрешимости двух пиков ФЛ в образце В кинетика ФЛ подробно исследовалась именно в этом образце. При временах задержки превышающих ~150-200 пс,

низкотемпературный спектр ФЛ образца В хорошо аппроксимируется суперпозицией двух гауссовых контуров. Анализ параметров контуров разложения в зависимости от времени задержки, а также тщательное рассмотрение спектров ФЛ, измеренных при малых временах задержки, позволил определить основные закономерности кинетики экситонной локализации.

Наблюдаемое сосуществование квазиравновесных населенностей ЭМП и экситонов, локализованных немагнитным образом подразумевает наличие в образце мест дырочной локализации с большим разбросом характерных радиусов. Локализация дырки с малым радиусом в диапазоне 3-6 нм, приводит к магнитной локализации с энергией связи ЭМП в диапазоне 10-20 мэВ на временах порядка времени спин-спиновой релаксации ионов (10-30 пс). В течение

последующих 200-500 пс релаксационные эффекты сводятся к прыжковому транспорту экситонов, локализованных немагнитным образом в местах с большим радиусом. Попадание такого экситона в место более глубокой локализации с достаточно маленьким радиусом приводит к быстрому образованию ЭМП. В этом диапазоне задержек поведение экситонной популяции описывается двухуровневой моделью с возможностью перехода с верхнего уровня (Есх) на нижний (Етр). При еще больших временах задержки населенность верхнего уровня стабилизируется, т.к. возможности миграции экситонов оказываются исчерпанными. Экситоны, оставшиеся на этом уровне, не имеют в пределах туннельной досягаемости мест локализации с достаточно маленьким радиусом. Время жизни этих экситонов (2-3 нс) сравнимо с радиационным временем жизни. Соответствующий им характерный радиус дырочной локализации 15-20 нм) обуславливает невозможность быстрого образования ЭМП за счет самосогласованного изменения радиуса локализации из-за слабости эффективного обменного поля в пределах протяженной дырочной орбиты.

Такое объяснение подразумевает наличие локализованных состояний двух типов. Состояния одного типа характеризуются относительно большим радиусом дырочной локализации и, как следствие, затрудненным образованием ЭМП с достаточно большой энергией связи. В исследуемом образце такой локализации соответствует образование экситон-примесных комплексов, например, экситона, связанного на нейтральном доноре Второй механизм предполагает

непосредственную локализацию дырки с относительно небольшим 2Б радиусом локализации (~3-6 нм), что приводит к быстрому образованию ЭМП. Центрами такой локализации в исследуемых широких квантовых ямах могут быть композиционные флуктуации /пМп8е, центры локализации вблизи интерфейсов, связанные с образованием Мп-8 связей, а также электроны, локализованные непосредственно вблизи гетерограницы в соседнем слое /п88е.

Глава 5. Структурные и оптические свойства массивов квантовых точек типа II

В пятой главе обсуждаются структурные и оптические свойства наноструктур, полученных в результате самоорганизации в двух специфических системах: ОаЛ/Оа8Ь [32-35] и Сё8е/ВеТе [36-43].

В §5.1.1 обсуждаются свойства тонких, упруго растянутых слоев ваЛв, вставленных в матрицу СаА^Ь).,, с малой концентрацией Ля (х<0.05). Исследовались образцы, отличающиеся номинальной толщиной вставки и концентрацией Ав в окружающем вставку материале СаАз^Ь]*. Для точного определения параметров образцов и оценки морфологии вставки использовались результаты рентгено-дифракционного анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Спектры низкотемпературной ФЛ, измеренные в образцах с разной номинальной толщиной вставки, показаны на рис. 11. В спектре достаточно тонких вставок (< 1 МС) доминирует узкий интенсивный пик (1г) с энергией ~0.7 эВ. Более широкий пик (I)) появляется при меньших энергиях в образцах с более толстыми вставками (между 1.0 и 1.2 МС). В слоях с еще большей номинальной толщиной ваЛя пик Ь гаснет, тогда как пик I] сдвигается в сторону меньших энергий, ослабевает и, в конце концов, тоже гаснет.

Оценка разрывов зон на интерфейсе ОаАвкЗЬьх/ОаАвуБЬьу (х*у) показывает реализацию зонной структуры типа II. Электроны при этом ограничены в слое с большим содержанием мышьяка. Сравнение с изображениями ПЭМ, измеренными в тех же образцах, показало корреляцию между возникновением пикаII и появлением на изображениях островов (квантовых точек), что позволило интерпретировать пик I], как излучение квантовых точек. Для выяснения природы линии был произведен теоретический расчет спектра электронных состояний в тонкой квантовой яме ОаЛ/Оа8Ь, как в модели Кейна, так и с использованием микроскопического метода сильной связи. Сравнение расчета с экспериментом позволило определить пик как

излучение квантовой ямы твердого раствора с толщиной порядка

одного монослоя.

Согласно измерениям ПЭМ, в области толщин 1.0-1.5 МС квантовые точки представляют собой плоские острова (диски) с толщиной 2-5 МС и латеральным размером нм. В более толстых вставках, формирование островов сопровождается неупругой релаксацией напряжений и образованием дислокаций, что приводит к гашению ФЛ. Проведенный анализ показывает, что отрицательный знак упругих деформаций

(деформации растяжений) не приводит к существенным особенностям в процессах самоорганизации по сравнению с хорошо изученными эффектами положительных деформаций (деформаций сжатия).

В §5.1.2 представлен подход к использованию сверхрешетки GaA/GaSb в качестве активной области инжекционных лазеров среднего ИК диапазона. В этой спектральной области гетероструктуры типа II представляют серьезную альтернативу более распространенным в настоящее время гетероструктурам типа I, т.к. позволяют оптимизировать потери, обусловленные Оже

рекомбинацией и утечками неосновных носителей через недостаточно высокие барьеры. Недостатком таких структур является ослабленное перекрытие волновых функций электронов и дырок, что приводит к относительно малому коэффициенту усиления.

В сверхрешетках сильно напряженных ультра-тонких вставок, несмотря на тип II зонной структуры, может быть обеспечено достаточно большое перекрытие волновых функций электронов и дырок при сохранении всех преимуществ гетероструктур типа П. Новым фактором в работе таких структур в качестве активной области лазера является возможность формирования квантовых точек типа П. Положительными аспектами использования в активной области квантовых точек являются формирование 0-мерной плотности состояний и увеличение квантового выхода прибора за счет затрудненного транспорта носителей к центрами безызлучательной рекомбинации. Отрицательными факторами может оказаться уменьшение перекрытия электронных и дырочных волновых функций и увеличение неоднородного уширения контура усиления. Реализация того или иного сценария зависит от конкретных параметров структуры, в первую очередь, от геометрии квантовых точек и характеристики корреляций в их вертикальном расположении.

Лазерные образцы представляли собой двойные гетроструктуры с раздельным электронным и оптическим ограничением, выращенные методом МПЭ на п+Са8Ь(001) подложках. Активная область состояла из 5-ти периодов lMC-GaAs/13MC-GaSb. Для определения морфологии слоев сверхрешетки использовались результаты исследований методом просвечивающей электронной микроскопии (см. вставку на рис. 12). Изображения разреза образца демонстрируют формирование в одно-монослойных вставках плоских островков -квантовых дисков. Анализ изображений показывает тенденцию к вертикальной корреляции в положении островов, находящихся в соседних слоях. При комнатной температуре, лазерная генерация наблюдалась на длине волны 1.85 мкм при импульсной накачке с длительностью импульса 200 нс и частотой

повторения 3.2 кГц (см. рис. 12). Пороговая плотность тока при этих условиях составила 11 кА/см2. Лазерная генерация возникала на 40 мэВ ниже излучения квантовой ямы в одиночной вставке, отражая эффект образования минизоны. Согласно оценкам, состояния с этой энергией скорее относятся к минизоне квантовых ям, чем к уровням в квантовых точках, как электронно-связанных, так и изолированных. Поэтому формирование квантовых точек представляется отрицательным фактором, приводящим к дополнительным потерям на поглощение и спонтанное излучение. Для увеличения длины волны излучения и уменьшения пороговой плотности тока перспективным представляется использование более короткопериодных сверхрешеток с номинальной толщиной вставок меньшей порога образования квантовых точек.

§§5.1.3-5.1.4 посвящены структурным и оптическим исследованиям симметрийных свойств структур с массивами квантовых точек CdSe/BeTe [36-43]. Идея использования стрессора состоит в преднапылении тонкого слоя материала с очень большим рассогласованием параметра решетки, что должно приводить к возникновению большой плотности сильно-напряженных островов, играющих роль зародышей при последующем напылении основного материала квантовых точек. Гетеропара CdSe/BeTe является системой, в которой естественными стрессорами являются интерфейсные химические связи Ве8е и СсГГе, для которых рассогласование составляет —10% для пары BeSe/BeTe и ~14% для CdTe/BeTe. Для CdTe критическая толщина находится в субмонослойной области толщин, откуда следует невозможность формирования даже одного завершенного монослоя CdSe с интерфейсом типа CdTe.

Оказалось, что морфология слоя CdSe/BeTe целиком определяется деталями формирования нижнего интерфейса. В структурах, где напылению слоя CdSe предшествовало напыление CdTe, прерванное в максимуме сигнала отражения быстрых электронов, ПЭМ изображения демонстрируют массив квантовых точек, упорядоченный в 3Б шахматном порядке (рис. 13 (а)). В образцах, где рост CdTe прерывался в минимуме сигнала отражения быстрых электронов, вставки CdSe выглядят как темные полоски однородной ширины с модуляциями контраста на шкале расстояний 1 нм и с существенной плотностью протяженных дефектов (рис. 13 (Ь)). Такая морфология соответствует разупорядоченным квантовым ямам.

Наиболее детальное

оптическое исследование было проведено в образце, выращенным без вращения подложки, что обусловило наличие плавного градиентного изменения ряда параметров вдоль определенного

направления в плоскости слоев.

Рис. 13

На рис. 14 приведены линейно-поляризованные спектры, измеренные в трех точках такого образца, расположенных вдоль направления градиента изменения свойств. Наиболее важным следствием неравномерной интенсивности потоков явилась плавная вариация условий формирования нижнего интерфейса каждого слоя. Точка "6" на рис. 14 соответствовала прерыванию роста первого интерфейса в максимуме интенсивности сигнала отражения быстрых электронов и формированию образца с упорядоченным массивом квантовых точек. Сдвиг точки измерения вправо соответствовал уменьшению толщины интерфейсного слоя CdTe, т.е. приближению морфологии образца к структуре разупорядоченных квантовых ям.

Энергия пика плавно уменьшалась при смещении точки измерения справа налево, причем максимумы линий ФЛ с ортогональной поляризацией были сдвинуты друг относительно друга. Интенсивность ФЛ зависела от места измерения немонотонным образом - сильное увеличение ФЛ соответствует достаточно узкой области вблизи точки "6". Величина степени линейной поляризации ФЛ относительно осей [110] и [1-10] показана на рис. 14 треугольниками в зависимости от энергии максимума пика ФЛ (шкала на правой оси). В правой части образца степень поляризации положительная, и ее величина не превышает 20-30% процентов. Сдвиг места измерения влево по образцу приводит к уменьшению степени поляризации до нуля, изменению ее знака на отрицательный и дальнейшему росту абсолютной величины вплоть до -80% на левом краю образца. Смена знака и дальнейший рост отрицательной степени поляризации отражали оформление упорядоченного массива островов и дальнейшее увеличение их толщины.

Объяснение столь большой величины степени линейной поляризации и смены ее знака предполагает сильную анизотропию интерфейсных связей. Действие этого фактора в островах с симметрией близкой к симметрии цилиндра (квантовые диски) может объяснить наблюдаемые большие значения степени поляризации в полной

аналогии с оптической анизотропией, наблюдаемой в квантовых ямах с симметрией Наблюдение

смены знака поляризации в этой модели вполне возможно, поскольку направление поляризации зависит от химического состава интерфейсных связей, меняющегося вдоль направления изменения свойств в градиентном образце.

Наблюдение сильной латеральной оптической анизотропии накладывает ряд ограничений на возможную

11 » 7 5 3 1

3

со

<п с а>

ватр1е _ ! ВеЭе, М1.

0.5 0.7 0.8

"6'А * А А А

< / ^

и 2" * 4 /А /а у 1 / й" X2"

0.4 Ф

Ё ся

О-Охз

-0.4(0 N •с га

-0.8 О О.

1.6 1.8 2.0 22 2.4

Епегду, еУ

Рис. 14

микроскопическую структуру Сё8е/БеТе островов. В приближении цилиндрических островов с достаточно протяженными основаниями, рассмотрение симметрийных свойств интерфейсов аналогично рассмотрению симметрии соответствующей квантовой ямы, для которой возможны четыре варианта комбинации левого и правого интерфейсов. Два варианта соответствуют ситуации химически эквивалентных левого и правого интерфейсов. Для идеальной квантовой ямы в отсутствии внешних возмущений, симметрия не предполагает анизотропии свойств по отношению к направлениям [ПО] и [1-10]. Приложение к квантовой яме типа II электрического поля приводит к отличию энергий "левого" и "правого" непрямых переходов. Для квантовой ямы с химически одинаковыми интерфейсами, такое расщепление определит разделение линии ФЛ на два пика с одинаковой интенсивностью, но ортогональными поляризациями. Два других варианта соответствуют различным химическим составам левого и правого интерфейсов. Химические связи на таких интерфейсах сонаправлены, а степень поляризации ФЛ максимальна. При приложении электрического поля степень поляризации расщепленных переходов будет иметь один знак.

Расщепление ортогонально--поляризованных спектров на рис. 14 соответствует действию в структуре определенного электрического поля. Причиной появления в структуре встроенного электрического поля может быть формирование электрического диполя на близко расположенном гетеровалентном интерфейсе ваА/БеТе. Различие знака линейной поляризации расщепленных пиков свидетельствует о преимущественном вкладе связей одного типа на верхнем и нижнем интерфейсах. Однако существенная разница в интенсивности расщепленных ортогонально-поляризованных компонент говорит о неэквивалентности нижнего и верхнего интерфейсов. Уменьшение относительного вклада связей типа Бе8е, определенное методами рентгеновской дифрактометрии (см. верхнюю шкалу на рис. 14), сопровождает увеличение степени поляризации при сдвиге вдоль образца от центра влево. Это наблюдение позволяет предположить, что формирование островов и последующее увеличение их толщины приводит к росту вклада связей типа СёТе преимущественно на одном из интерфейсов. В наиболее правой части образца, связи Бе8е доминируют на обоих интерфейсах, что обуславливает близкую интенсивность ортогонально-поляризованных компонент ФЛ. Такой сценарий представляется наиболее вероятным, хотя имеющиеся экспериментальные данные не позволяют надежно отделить этот вклад от возможных нарушений симметрии островков, связанных, например, с различной морфологией (шероховатостью) двух интерфейсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы были получены следующие основные результаты.

1. Выполнен цикл работ по конструированию и исследованиям апериодичных сверхрешеток в системе GaA/AlGaAs:

- На основе метода сильной связи разработан алгоритм, позволяющий однозначным образом рассчитывать параметры апериодичной сверхрешетки, обеспечивающей формирование квази-минизоны на определенной энергии, с определенной шириной и в определенном электрическом поле;

- Формирование квази-минизоны в апериодичной электронной сверхрешетке GaA/AlGaAs подтверждено экспериментально в результате исследования спектров фотолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции в содержащей сверхрешетку p-i-n гетероструктуре при варьируемом напряжении смещения. Продемонстрировано замешивание экситонных состояний из, по меньшей мере, 6-ти квантовых ям. Показано, что кулоновское взаимодействие электрона с дыркой обуславливает увеличение резонансного электрического поля и уменьшение протяженности электронной волновой функции;

- Показана эффективность работы апериодичных сверхрешеток в качестве электронного и дырочного инжекторов в GaA/AlGaAs p-i-n лазерном диоде. Обнаружена бистабильность вольт-амперной характеристики, сопровождаемая бистабильностью электролюминесценции и лазерной генерации. Возникновение бистабильности объяснено эффектами накопления и перераспределения пространственного заряда.

2. Выполнен цикл работ по исследованию процессов энергетической и спиновой релаксации, а также транспорта носителей в сверхрешетках Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se:

- Экситонный спектр исследован в зависимости от степени беспорядка в слоях сверхрешеток CdSe/ZnSe. Увеличение беспорядка в слоях приводит к сдвигу нижнего экситонного пика в длинноволновую сторону и подавлению его относительной интенсивности. Оба эффекта объяснены неоднородностью латерального распределения Cd в плоскости слоев, т.е. образованием ZnCdSe островов;

- Эксперименты по исследованию резонансной ФЛ позволили определить особенности энергетической релаксации и локализации экситонов в разупорядоченных сверхрешетках CdSe/ZnSe. Оказалось, что понятие экситонного края подвижности в этих структурах имеет ограниченное применение, вероятно, из-за наличия "макроскопических" корреляций на шкале размеров, превышающих боровский радиус экситона;

Инжекция спин-поляризованных носителей из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную квантовую яму наблюдалась во внешнем магнитном поле в структурах, содержащих CdSe/ZnMnSe сверхрешетку с вставленной квантовой ямой ZnCdSe. Показано, что максимальная эффективность спиновой инжекции (-30 %) определяется процессами спиновой релаксации в квантовой яме ZnCdSe, используемой в качестве оптического детектора электронной спиновой поляризации;

- Эффективность спиновой релаксации в сверхрешетке CdSe/ZnMnSe исследована в зависимости от величины спинового расщепления экситонов. Обнаружено пороговое поведение: скорость релаксации между спиновыми подзонами резко растет при превышении спиновым расщеплением энергии возбуждения оптического фонона;

- В структуре, включающей немагнитную квантовую яму ZnCdSe и полумагнитную квантовую яму ZnMnSe реализовано переключение знака спиновой поляризации при изменении длины волны возбуждающего света или величины внешнего магнитного поля.

3. Исследована кинетика локализации экситонов в полумагнитных сверхрешетках и квантовых ямах ZnMnSe/ZnSSe. Длинные времена рекомбинации (~5 не), характерные для исследуемых квантовых ям типа II, позволили полностью описать процесс формирования экситонного магнитного полярона - вплоть до установления квази-равновесных условий. Обнаружен эффект сосуществования экситонных магнитных поляронов и экситонов, локализованных немагнитным образом, определяемый статистикой начальной локализации электронов в немагнитной квантовой яме ZnSSe и дырок в полумагнитной квантовой яме ZnMnSe.

4. Выполнен цикл работ по структурной и оптической характеризации гетероструктур с квантовыми ямами, квантовыми точками и сверхрешетками GaAsi.xSVGaASi.ySby (х«у):

- Определена связь между структурными и фотолюминесцентными свойствами структур, включающих тонкие упруго-растянутые вставки GaAs в матрице Ga(As)Sb. Узкий пик фотолюминесценции с энергией кванта вблизи 0.7 эВ идентифицирован как излучение одно-монослойной GaAsSb квантовой ямы типа П. Широкий пик, наблюдавшийся в слоях с номинальной толщиной превышающей ~1 МС был определен как излучение GaAsSb квантовых точек типа II.

- Электролюминесценция и лазерная генерация наблюдались в p-i-n лязепиьтс ттиоттях включающих в активной области сверхрешетку типа II ваА^. кЗМЗаАв.-уЗЬу (х«у).

5. Исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства гетероструктур со сверхрешетками тонких вставок CdSe в матрице ВеТе:

- Определена связь основных характеристик спектра ФЛ (положение и интенсивность пика) и морфологии структур, определяемой параметрами роста интерфейсных слоев. Максимальная интенсивность фотолюминесценции соответствовала формированию упорядоченного (3D шахматный порядок) массива плоских островков (квантовых дисков);

- Измерена зависимость степени линейной поляризации фотолюминесценции по отношению к латеральным кристаллическим осям [110] и [1-10] в зависимости от степени упорядоченности массивов квантовых дисков и химического состава интерфейсных слоев. Максимальная степень поляризации (~80%)

соответствовала образцам с хорошо упорядоченным массивом квантовых дисков. Такая большая величина степени поляризации свидетельствует о близости симметрии электронных состояний, участвующих в излучательных переходах, к симметрии одиночного плоского гетероинтерфейса (C2v).

Совокупность решенных в работе проблем может быть сформулирована как решение важной для нашей страны научной и практической задачи - определения фундаментальных свойств класса низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур, перспективных для использования в электронных, оптоэлектронных и спинтронных приборах нового поколения.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ВКЛЮЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИЮ

1. S.M. Сао, М. Willander, EX. Ivchenko, A.I. Nesvizhskii, A.A. Toropov, Electrons and excitons in an imperfect superlattice in electric fields // Superlattices and Microstructures, 1995, v. 17, pp. 97-105.

2. S.M. Cao, M. Willander, A.A. Toropov, T.V. Shubina, B.Ya. Mel'tser, S.V. Shaposhnikov, P.S. Kop'ev, P.O. Holtz, J.P. Bergman, B. Monemar, Resonant coupling of electrons and excitons in an aperiodic superlattice under electric fields studied by photoluminescence spectroscopy // Physical Review B, 1995, v. 51, pp. 17267-17270.

3. A.A. Toropov, T.V. Shubina, A.V. Lebedev, B.Ya. Mel'tser, S.V. Shaposhnikov, P.V. Nekludov, N.D. Il'inskaya, M.G. Tkatchman, and P.S. Kop'ev, Negative Differential Resistance and Bistable Laser Generation in a Multiple-Barrier Resonant Tunneling p-i-n Diode // Proceedings of 4st Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 24-28,1996, pp. 358-361.

4. S.M. Cao, M. Willander, A.A. Toropov, T.V. Shubina, B.Ya. Mel'tser, S.V. Shaposhnikov, P.S. Kop'ev, J.P. Bergman, P.O. Holtz, B. Monemar, Characterization of Alo.4Gao.6As/GaAs aperiodic superlattices by photoluminescence spectroscopy at 2 К // Superlattices and Microstructures, 1996, v. 20, pp. 229-235.

5. A.A. Toropov, T.V. Shubina, A.V. Lebedev, B.Ya. Meltser, P.V. Nekludov, N.D. Ilinskaia, M.G. Tkatchman, P.S. Kopev, S.M. Cao, M. Willander, P.O. Holtz, J.P. Bergman, B. Monemar, S-shaped current-voltage characteristics and bistability in the laser generation spectrum of multiple-barrier p-i-n resonant tunneling devices // Proceedings of 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, Inst. Phys. Conf. Ser. No 155: Chapter 10, IOP Publishing Ltd, 1997, pp. 725-728.

6. A.A. Toropov, T.V. Shubina, A.V. Lebedev, B.Ya. Meltser, S.V. Shaposhinkov, M.G. Tkatchman, P.S. Kopev, Y. Fu, S.M. Cao, M. Willander, Multiple wavelength electroluminescence and laser generation in p-i-n resonant tunneling heterostructures // Superlattices and Microstructures, 1998, v. 24, pp. 295-298.

7. S.M. Cao, M. Willander, A.A. Toropov, T.V. Shubina, B. Ya. Mel'tser, P.S. Kop'ev, T. Lundstrom, P.O. Holtz, J.P. Bergman, B. Monemar, Bistable electroluminescence in p-i-n light-emitting tunnel-diodes enhanced by aperiodic-superlattice injectors // Applied Physics Letters, 1998, v. 72, pp. 347-349.

8. A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, R.N. Kyutt, S.V. Ivanov, M. Karlsteen, M. Willander, G.R. Pozina, J.P. Bergman, B. Monemar, Broadening of the excitonic mobility edge in a macroscopically disordered CdSe/ZnSe short-period superlattice // Physical Review B, 1999, v. 59, pp. 2510-2513.

9. A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, I.V. Sedova, A.A. Sitnikova, S.V. Ivanov, M. Karlsteen, M. Willander, J.P. Bergman, G.R. Pozina, B. Monemar, Optical properties of nanostructures self-organized in CdSe/ZnSe fractional monolayer superlattices // Journal of Crystal Growth, 1999, v. 201-202, pp. 1231-1234.

10. A.A. Toropov, T.V. Shubina, R.N. Kyutt, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, D.L. Fedorov, M. Karlsteen, M. Willander, Excitonic spectrum in CdSe/ZnSe disordered superlattices // phys. stat. sol. (a), 2000, v. 178, pp. 203-210.

11. I. Yamakawa, S.V. Sorokin, A.A. Toropov, S.V. Ivanov, A. Nakamura, Cathodoluminescence study of quantum-size and alloying effects in single fractional monolayer CdSe/ZnSe structures // Japanese Journal of Applied Physics, Part 2 (Letters), 2000, v. 39, pp. L851-L854.

12. A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, R.N. Kyutt, S.V. Ivanov, G.R. Pozina, J.P. Bergman, B. Monemar, M. Karlsteen, M. Willander, Excitons as a probe of interface morphology in Cd(Zn)Se/ZnSe heterostructures // Applied Surface Science 2000, v. 166, pp. 278-283.

13. R.N. Kyutt, A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, M. Karlsteen, M. Willander, Spatial distribution of Cd in CdSe/ZnSe superlattices studied by X-ray diffraction // Applied Surface Science, 2000, v. 166, pp. 341-345.

14. A.A. Toropov, T.V. Shubina, A.V. Lebedev, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, G.R. Pozina, J.P. Bergman, B. Monemar, Dynamics of excitons near the mobility edge in CdSe/ZnSe superlattices // Journal of Crystal Growth, 2000, v. 214/215, pp. 806-809.

15. M. Keim, M. Korn, F. Bensing, A. Waag,G. Landwehr, S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, A.A. Sitnikova, T.V. Shubina, A.A. Toropov, Be-induced CdSe island formation in CdSe/ZnSe sub-monolayer superlattices // Journal of Crystal Growth, 2000, v. 214/215, pp. 684-689.

16. T.V. Shubina, A.A. Sitnikova, V.A. Solov'ev, A.A. Toropov, I.V. Sedova, S.V. Ivanov, M. Keim, A. Waag, G. Landwehr, Defect-induced island formation in CdSe/ZnSe structures // Journal of Crystal Growth, 2000, v. 214/215, pp. 727-731.

17. A.A. Toropov, S.V. Sorokin, K.A. Kuritsyn, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, G. Reuscher, A. Waag, G. Landwehr, Mt. Wagner, W.M. Chen, B. Monemar, Magnetooptical studies of CdSe/(Zn,Mn)Se semimagnetic nanostructures //

Proceedings of 8l Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 19-23,2000, pp. 440-443.

18. A.A. Toropov, S.V. Sorokin, K.A. Kuritsyn, S.V. Ivanov, G. Pozina, J.P. Bergman, M. Wagner, W.M. Chen, B. Monemar, A. Waag, D.R. Yakovlev, С Sas, W. Ossau, G. Landwehr, Magneto-photoluminescence studies of Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se diluted magnetic nanostructures // Physica E, 2001, v. 10, pp. 362-367.

19. Ya.V. Terent'ev, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, I. Buyanova, W.M. Chen, B. Monemar, Injection of Spin-Polarized Carriers from a ZnMnSe/CdSe Semimagnetic Superlattice to a non-magnetic ZnCdSe Quantum Well // Proceedings of 9th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 18-22,2001, pp. 380-383.

20. Ya.V. Terent'ev, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, S.V. Ivanov, P.S. Kopev, LA. Buyanova, W.M. Chen, B. Monemar, Semimagnetic ZnMnSe/CdSe fractional monolayer superlattice as an injector of spin-polarized carriers // phys. stat. sol. (b), 2002, v. 229, pp. 765-768.

21. LA. Buyanova, I.G. Ivanov, B. Monemar, W.M. Chen, A.A. Toropov, Ya.V. Terent'ev, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Tunable laser spectroscopy of spin injection in ZnMnSe/ZnCdSe quantum structures // Appl. Phys. Lett., 2002, v. 81, pp. 2196-2198.

22. LA. Buyanova, W.M. Chen, B. Monemar, A.A. Toropov, Ya.V. Terent'ev, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, On the spin injection in ZnMnSe/ZnCdSe heterostructures // Physica E, 2002, v. 13, pp. 538-541.

23. W.M. Chen, LA. Buyanova, G.Yu Rudko, A.G. Mal'shukov, K.A. Chao, A.A. Toropov, Y. Terent'ev, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Exciton spin relaxation in diluted magnetic semiconductor Zni_

superlattices: Effect of spin splitting and role of longitudinal optical phonons // Phys. Rev. B, 2003, v. 67, pp. 125313-1 - 125313-7.

24. LA. Buyanova, G.Yu. Rudko, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Control of spin functionality in ZnMnSe-based structures: Spin switching versus spin alignment // Appl. Phys. Lett., 2003, v. 82, pp. 1700-1702.

25. LA. Buyanova, G.Yu. Rudko, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Resonant suppression of exciton spin relaxation in Zno.96Mno.04Se/CdSe superlattices//J. Appl. Phys., 2003, v. 93, pp. 7352-7354.

26. LA. Buyanova, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Exiton Spin Manipulation in ZnMnSe-based Structures // Journal of Superconductivity, 2003, v. 16, pp. 399-402.

27. A.A. Торопов, А.В. Лебедев, СВ. Сорокин, Д.Д. Солнышков, СВ. Иванов, П.С. Копьев, И.А. Буянова, В.М. Чен, Б. Монемар, Полумагнитные сверхрешетки типа II ZnMnSe/ZnSSe: рост и магнитолюминесцентные свойства // ФТП, 2002, т. 36, с. 1372-1378.

28. Ya.V. Terent'ev, A.A. Toropov, A.V. Lebedev, S.V. Sorokin, V.A. Kaigorodov, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, LA. Buyanova, P. Bergman, B. Monemar, W.M. Chen, Observation of exciton magnetic polarons in a type II ZnMnSe/ZnSSe superlattice // Proceedings of 11th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 23-28,2003, pp. 197-198.

29. A.A. Toropov, A.V. Lebedev, S.V. Sorokin, D.D. Solnyshkov, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, LA. Buyanova, W.M. Chen, B. Monemar, Magneto-optical studies of diluted magnetic semiconductor type II quantum wells ZnMnSe/ZnSSe // Physica E,2003,v. 17, pp. 352-354.

30. A.A. Toropov, Ya. V. Terent'ev, A.V. Lebedev, S.V. Sorokin, V.A. Kaygorodov, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, LA. Buyanova, J.P. Bergman, B. Monemar, and W.M. Chen, Exciton magnetic polarons in a type II ZnMnSe/ZnSSe superlattice // phys. stat. sol. (c), 2004, v. 1, pp. 847-850.

31. V.A. Solov'ev, A.A. Toropov, B.Ya. Mel'tser, Ya.V. Terent'ev, R.N. Kyutt, A.A. Sitnikova, A.N. Semenov, S.V. Ivanov, Motlan, E.M. Goldys, P.S. Kop'ev, Novel GaAs/GaSb heterostructures emitting at 2 fim wavelength // Proceedings of 9th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 18-22,2001, pp. 5-8.

32. B.A. Соловьев, A.A. Торопов, Б.Я. Мельцер, ЯЗ. Терентьев, Р.Н. Кютт,

A.А. Ситникова, А.Н. Семенов, СВ. Иванов, Motland, E.M. Goldys, П.С. Копьев, GaAs в GaSb - напряженные наноструктуры для оптоэлектроники среднего инфракрасного диапазона // ФТП, 2002, т. 36, в.7, с. 869 -873.

33. A.A. Toropov, O.G. Lyublinskaya, V.A. Solov'ev, S.V. Ivanov, Sb-based nanostructures for mid-IR optoelectronics // Chapter in "III-V Semiconductor Heterostructures: Physics and Devices" (ed. W.Z. Cai, Research Signpost), 2003, pp. 169-199.

34. O.G. Lyublinskaya, A.A. Toropov, V.A. Solov'ev, Ya. V. Terent'ev,

B. Ya. Meltser, A.N. Semenov, M.O. Nestoklon, A.A. Sitnikova, K. Thonke, R. Sauer, S.V. Ivanov, Tensile strained GaAs/GaAsSb nanostructures: photoluminescence and lasing // Proceedings of 12th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 21-25,2004, pp. 52-53.

35. A.A. Toropov, O.G. Lyublinskaya, B.Ya. Meltser, V.A. Solov'ev, A.A. Sitnikova, M.O. Nestoklon, O.V. Rykhova, S.V. Ivanov, K. Thonke, R. Sauer, Tensile-strained GaAs quantum wells and quantum dots in a Ga(As)Sb matrix // Phys. Rev. B, 2004, v. 70, pp. 205314 (1-8).

36. S.V. Ivanov, G. Reuscher, T. Gruber, T. Muck, V. Wagner, J. Geurts, A. Waag, G. Landwehr, T.V. Shubina, N.A. Sadchikov, A.A. Toropov, P.S. Kop'ev, Novel Cd(Se,Te)/BeTe nanostructures: fabrication by molecular beam epitaxy and properties // Proceedings of 8th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 19-23, 2000, pp. 98-101.

37. T.V. Shubina, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, A.A. Sitnikova, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, G. Reuscher, A. Waag, G. Landwehr, L.W. Molenkamp, Polarized photoluminescence in CdSe/BeTe type II nanostructures // Proceedings of the 25th International Conference on the Physics of Semiconductors, Osaka, Japan, 2000 (Eds. N. Miura and T. Ando, Springer Proceedings in Physics), pp. 1293-1294.

38. S.V. Ivanov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, A.A. Toropov, R.N. Kyutt, A.A. Sitnikova, M. Willander, A. Waag, G. Landwehr, Interface Engineering in Type-II CdSe/BeTe Quantum Dots // Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 2002, v. 696, pp. N6.4.1-6.4.6.

39. T.V. Shubina, S.V. Ivanov, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, R.N. Kyutt, D.D. Solnyshkov, G.R. Pozina, J.P. Bergman, B. Monemar, M. Willander, A. Waag, G. Landwehr, Interface Effects in Type-II CdSe/BeTe Quantum Dots // phys. stat. sol. (b), 2002, v. 229, pp. 489-492.

40. T.V. Shubina, A.A. Toropov, A.V. Lebedev, S.V. Sorokin, D.D. Solnyshkov, S.V. Ivanov, J.P. Bergman, B. Monemar, A. Waag, G. Landwehr, Time-resolved polarized photoluminescence studies of type II CdSe/BeTe quantum dots // Proceedings of the 26th International Conference on the Physics of Semiconductors, Edinburgh, Great Britain, 2002, pp. 199-200.

41. A.A. Toropov, S.V. Sorokin, T.V. Shubina, O.V. Nekrutkina, D.D. Solnyshkov, S.V. Ivanov, A. Waag, G. Landwehr, Optical Anisotropy of Non-Common-Atom Quantum Wells and Dots: Effects of Interface Symmetry Reduction // phys. stat. sol. (a), 2003, v. 195, pp. 551-557.

42. S.V. Ivanov, A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, R.N. Kyutt, A.A. Sitnikova, D.D. Solnyshkov, O.V. Nekrutkina, CdSe-based nanostructures: growth, properties, lasers // phys. stat. sol. (b), 2004, v. 241, pp. 531-537.

43. A.A. Toropov, O.V. Nekrutkina, M.O. Nestoklon, S.V. Sorokin, D.D. Solnyshkov, S.V. Ivanov, A. Waag, G. Landwehr, Г-Х electron level crossover in ZnSe/BeTe multiple quantum wells // Phys. Rev. B, 2003, v. 67, pp. 113307(1-4).

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1*. Л.В. Келдыш, О влиянии ультразвука на электронный спектр кристалла // ФТТ, 1962, т. 4, с. 2265-2267.

2*. L.L. Chang, L. Esaki, W.E. Howard, R. Ludeke, The growth of a GaAs-GaAlAs Superlattice // J. Vacuum Sci. Technol., 1973, v. 10, pp. 11-16.

3*. EX. Ivhenko, G.E. Pikus, Superlattices and other heterostructures, symmetry and optical phenomena, second addition // Springer Series in Solid-State Sciences 110 (Springer, 1997).

4*. A. Tredicucci, F. Capasso, С Gmachl, D.L. Sivco, A.L. Hutchinson, A.Y. Cho, High performance interminiband quantum cascade lasers with graded superlattices // Appl. Phys. Lett., 1998, v. 73, pp. 2101-2103.

5*. Р.Ф. Казаринов, Р. А. Сурис, Электрические и электромагнитные свойства сверхрешетки полупроводников // ФТП, 1972, т. 6, с. 148-162.

6*. G. A. Prinz, Magnetoelectronics // Science, 1998, v. 282, p. 1660-1663.

7*. R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag, L.W. Molenkamp, Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode //Nature, 1999, v. 402, pp. 787-790.

8*. B. Deveaud, A. Chomette, B. Lambert, A. Regreny, R. Romestain, P. Edel, Picosecond luminescence approach to vertical transport in GaAs/GaAlAs superlattices // Solis State Commun., 1986, v. 57, pp. 885-889.

9*. J.K. Furdina, J. Kossut, Diluted Magnetic Semiconductors // in Semiconductors and Semimetals (Academic New York), 1988, Vol. 25.

10*. C. Benoit a' la Guillaume, Yu. G. Semenov, M. Combescot, Free magnetic polaron: A nonlinear Hamiltonian approach // Phys. Rev. B, 1995, v. 51, pp. 14124-14133.

11*.D. Bimberg, M. Grundmann, N.N. Ledentsov, Quantum dot heterostructures // John Wiley and Sons, 1999.

12*.S.V. Ivanov, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, T.V. Shubina, I.V. Sedova, A.A. Sitnikova, P.S. Kop'ev, Z.I. Alferov, A. Waag, H.-J. Lugauer, G. Reuscher, M. Keim, G. Landwehr, CdSe-Fractional-monolayer Active Region of Molecular Beam Epitaxy Grown Green ZnSe-Based Lasers // Appl. Phys. Lett. 1999, v. 74, pp. 498-500.

13*. O. Krebs, P. Voisin, Giant optical anisotropy of semiconductor heterostructures with no common atom and the quantum-confined Pockels effect // Phys. Rev. Lett., 1996, v. 77,1829-1832.

14*. A.A. Toropov, E.L. Ivchenko, O. Krebs, S. Cortez, P. Voisin, J.L. Gentner, Excitonic contributions to the quantum-confined Pockels effect // Phys. Rev. B, 2000, v. 63, pp. 035302(1-8).

15*.D.R. Yakovlev, E.L. Ivchenko, V.P. Kochereshko, A.V. Platonov, S.V. Zaitsev, A.A. Maksimov, I.I. Tartakovskii, V.D. Kulakovskii, W. Ossau, M. Keim, A. Waag, G. Landwehr, Orientation of chemical bonds at type-II heterointerfaces probed by polarized optical spectroscopy // Phys. Rev. B, 2000, v. 61, pp. 2421 -2424.

16*. U. Behn, N. Linder, H.T. Grahn, K. Ploog, Investigation of miniband formation in a graded-gap superlattice by electroreflectance spectroscopy // Phys. Rev. B, 1995, v. 51, pp. 17271-17274.

17*.Th. Gruber, M. Keim, R. Fiederling, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmid, L.W. Molenkamp, Electron spin manipulation using semimagnetic resonant tunneling diodes // Appl. Phys. Lett., 2001, v. 78, pp. 1101-1103.

18*.Е.Л. Ивченко, A.A. Торопов, П. Вуазен, Интерфейсная оптическая анизотропия в гетероструктуре с различными катионами и анионами // Физика твердого тела, 1998, т. 40, стр. 1925-1931.

19*. J. Bleuse, G. Bastard, P. Voisin, Electric-field-induced localization and oscillatory electro-optical properties of semiconductor superlattices // Phys. Rev. Lett., 1988, v.60, pp. 220-223.

Подписано в печать 14.03.2005 г. Заказ № 9159. Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО «КОПИ-Р» 198095, пр. Стачек, д. 8 «А». Тел./факс: (812) 186-09-05, 186-58-20 E-mail: stach@mail.wplus.ne

01.04

135;

j •

2 2 MAP 20$

Содержание.

Введение.

1. Общая характеристика типов полупроводниковых сверхрешеток с нарушенной периодичностью и проблем, поднимаемых в диссертации

Обзор литературы).

1.1. Сверхрешетки идеальных и неидеальных квантовых ям.

1.2. Сверхрешетки со встроенной расширенной квантовой ямой.

1.3. Сверхрешетки в электрическом поле. Апериодичные сверхрешетки

1.4. Квантовые ямы и сверхрешетки разбавленных магнитных полупроводников

1.4.1. Эффект гигантского зеемановского расщепления. Магнитная локализация носителей. Магнитный полярон.

1.4.2. Спиновая инжекция в структурах РМП.

1.5. Сверхрешетки материалов с большим рассогласованием параметров решетки. Упорядоченные и неупорядоченные массивы квантовых точек.

1.6. Квантовые ямы и сверхрешетки полупроводниковых соединений, не содержащих общих атомов.

1.6.1. Симметрийные свойства полупроводниковых интерфейсов и квантовых ям.

1.6.2. Спектроскопия линейно-поляризованной люминесценции в полупроводниковых гетероструктурах.

2. Апериодичные сверхрешетки в системе СаАв/АЮаАв: принципы конструирования, оптические и транспортные свойства.

2.1. Спектр электронных состояний нерегулярных сверхрешеток в электрическом поле: сверхрешетка с выделенной квантовой ямой и апериодичная сверхрешетка.

2.2. Экситонные состояния в апериодичных сверхрешетках.

2.2.1. Вариационный расчет спектра экситонных состояний связанных квантовых ям в электрическом поле.

2.2.2. Фотолюминесцентные исследования экситонов в ОаАз/АЮаАв апериодичной сверхрешетке.

2.3. ОаАз/АЮаАэ рч-п диоды с электронными и дырочными апериодичными сверхрешетками.

2.3.1. Электролюминесцентные исследования туннельно-транспортных характеристик апериодичных сверхрешеток.

2.3.2. Бистабилыюсть электролюминесценции и лазерной генерации в волноводной структуре с апериодичными сверхрешетками.

3. Кинетика транспорта и релаксации носителей в сверхрешетках

Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se.

3.1. Фотолюминесцентные исследования процессов транспорта и локализации экситонов в одиночных слоях и сверхрешетках Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se с различной степенью разупорядоченности.

3.1.1. Исследование экситонного спектра разупорядоченных сверхрешеток CdSe/ZnSe.

3.1.2. Исследования динамики экситонов в сверхрешетках CdSe/ZnSe.

3.1.3. Исследования кинетики рекомбинации экситонов в структурах Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se.

3.2. Оптические исследования спиновой инжекции из полумагнитной сверхрешетки CdSe/ZnMnSe в немагнитную квантовую яму

ZnCdSe.

3.3. Фотолюминесцентные исследования спиновой релаксации в структурах CdSe/ZnMnSe.

4. Оптическая спектроскопия экситонных магнитных поляронов в полумагнитпых квантовых ямах типа II ZnMnSe/ZnSSe.

4.1. Разрывы зон на гетероинтерфейсе ZnMnSe/ZnSSe.

4.2. Кинетика магнитной и немагнитной локализации экситонов в множественных квантовых ямах ZnMnSe/ZnSSe.

4.2.1. Фотолюминесцентные исследования при непрерывном возбуждении.

4.2.2. Фотолюминесцентные исследования с временным разрешением.

5. Структурные и оптические свойства массивов квантовых точек типа II.

5.1. Квантовые ямы и квантовые точки GaAs в матрице GaSb: структурные и фотолюминесцентные исследования.

5.2. Электролюминесценция и лазерная генерация в диодах с массивом GaAs/GaSb квантовых точек.

5.3. Упорядоченные и разупорядоченные массивы квантовых точек типа II CdSe/BeTe.

5.4. Спетроскопия линейно-поляризованной фотолюминесценции в массивах квантовых точек CdSe/BeTe.

Развитие физики полупроводниковых гетероструктур оказывает непосредственное влияние на нашу повседневную жизнь, поскольку функциональность практически всех современных оптоэлектронных приборов зависит от прогресса в этой области. Исследования свойств низкоразмерных гетероструктур: сверхрешеток, квантовых ям, проволок и точек, находятся на острие этой науки.

Одними из первых объектов такого типа, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), были полупроводниковые сверхрешетки - структуры с искусственной периодической одномерной модуляцией свойств, производимой на шкале размеров, сравнимых с длиной волны де Бройля электрона [1*,2*,3*]. В настоящее время наибольший интерес привлекают композиционные сверхрешетки, включающие слои полупроводников с различной шириной запрещенной зоны [3*], легированные сверхрешетки, представляющие собой последовательность слоев п-, и р- типа [3*,4*] и спиновые сверхрешетки [5*], в которых чередуются слои разбавленных магнитных полупроводников, отличающиеся направлением спина носителей. В первом случае надо различать сверхрешетки типа I, в которых минимумы локализующего потенциала для электронов и дырок пространственно совпадают, и сверхрешетки типа И, в которых модуляция краев зоны проводимости и валентной зоны имеет один и тот же знак.

Основные электронные и оптические свойства регулярных полупроводниковых сверхрешеток к настоящему времени хорошо изучены, как экспериментально, так и теоретически (см., например, [6*]). Однако часто интерес представляет исследование свойств квази-сверхрешеточных структур, в которых строгая периодичность потенциала нарушена. Эти нарушения могут быть связаны с неконтролируемыми дефектами и неоднородностями экспериментальных образцов. В других случаях, специально сконструированные нерегулярные сверхрешетки демонстрируют особые свойства и полезные функциональные особенности.

К плохо контролируемым факторам относятся, в первую очередь, нарушения периодичности, связанные с наличием флуктуаций толщин и составов слоев. При определенных условиях такие флуктуации приводят к образованию локализованных состояний, в отличие от протяженных минизонных состояний идеальной сверхрешетки. Эффекты такого рода были достаточно полно изучены и поняты еще в 1980-х (см., например, работу [7*]). Однако к моменту начала диссертационной работы (конец 1994 г.) в области физики нерегулярных сверхрешеток существовал ряд актуальных проблем не вполне изученных, или не исследованных вовсе.

Одной из актуальных задач было конструирование так называемых "апериодичных" сверхрешеток, т.е. многослойных структур, в которых протяженные "квази-минизонные" состояния выстраиваются при приложении вдоль оси роста структуры определенного однородного электрического поля, соответствующего максимуму туннельной прозрачности структуры. Особое развитие такие структуры получили в качестве протяженных туннельных инжекторов носителей, используемых, например, в каскадных лазерах [8*,9*]. В регулярных сверхрешетках максимум туннельной прозрачности соответствует нулевому внешнему электрическому полю. При заданных материалах геометрические параметры сверхрешетки (ширины ям и барьеров) однозначно определяются двумя параметрами - энергетической шириной и положением минизоны. Приложенное поле нарушает периодичность сверхрешетки, разрушая минизону и приводя к образованию лестницы "штарковских" состояний [10*]. В "апериодичной" сверхрешетке уровни в отдельных квантовых ямах выстраиваются по энергии при приложении внешнего электрического поля. Очевидно, что ширины всех ям и барьеров такой структуры должны быть разными и условие выстраивания уровней может быть достигнуто бесконечным числом способов. К моменту начала диссертационной работы не было опубликовано алгоритма, позволяющего однозначным образом конструировать апериодичные сверхрешетки с заданными характеристиками (положение и ширина квази-минизоны) и туннельной прозрачностью близкой к максимально возможной. Фактически отсутствовали данные о влиянии на выстраивание квази-минизоны кулоновского взаимодействия, связанного с образованием экситонных состояний и с аккумуляцией пространственного заряда.

Другой класс относительно мало исследованных нерегулярных сверхрешеток представлен многослойными структурами разбавленных магнитных полупроводников (РМП). Интерес к таким гетероструктурам связан в первую очередь с быстрым развитием концепции спиновой электроники ("спинтроники"), предполагающей использование в качестве носителя информации не электронного заряда, как в современной электронике, а спина электрона [11*]. Создание полупроводниковых "спинтронных" приборов требует реализации таких процессов как инжекция спин-поляризованных электронов, а также накопление электронных спинов и манипулирование ими. Была показана эффективность

У Л объемных слоев РМП группы А В в качестве модельных объектов • для отработки принципов действия будущих спинтронных приборов [12*], однако сверхрешетки РМП (полумагнитные сверхрешетки) для этой цели ранее не использовались. Фактически отсутствовали данные о транспорте спин-поляризованных носителей и спиновой релаксации в таких объектах.

Одним из наиболее изученных типов искусственных нерегулярных сверхрешеток является сверхрешетка с одной нестандартной квантовой ямой. Как правило, это яма с увеличенной шириной. Ранее такие структуры широко и успешно использовались для оптических исследований особенностей транспорта носителей и экситонов вдоль оси роста сверхрешетки [13*]. Оптические исследования подобных структур, включающих сверхрешетку РМП и вставленную в нее более глубокую немагнитную квантовую яму, представляются особо перспективными для получения данных о транспорте спин-поляризованных носителей и спиновой релаксации в сверхрешетке РМП, а также инжекции спина из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную яму.

Дополнительная возможность спонтанного нарушения порядка и снижения симметрии сверхрешеток и множественных квантовых ям РМП обусловлена процессами магнитной локализации носителей, в частности, образованием экситонного магнитного полярона. В последнем случае, в результате обменного взаимодействия носителя заряда с окружающими его магнитными ионами формируется локальная область ферромагнитного упорядочивания. Несмотря на интенсивные исследования свойств экситонных магнитных поляронов в структурах РМП, ведущиеся в течение последних 20 - 30 лет [14*], ряд вопросов, касающихся кинетики формирования и распада магнитных поляронов, так и не получил полного экспериментального прояснения. К ним можно отнести теоретически предсказанные эффекты нарушения симметрии в немагнитных квантовых ямах с магнитными барьерами вследствие бифуркации волновой функции носителей, образующих экситонный магнитный полярон [15*], автолокализации магнитного полярона в структурах с квантовыми ямами [16*], а также вопросы, связанные с конкуренцией магнитных и немагнитных механизмов экситонной локализации.

Еще один класс нерегулярных сверхрешеток, представляющий особый интерес, включает сверхрешетки полупроводниковых слоев, сильно различающихся по параметру решетки. К настоящему времени хорошо известно, что процессы самоорганизации во время эпитаксиального роста тонких напряженных слоев могут приводить к образованию "0-мерных" объектов - квантовых точек и дисков [17*]. В разных слоях многослойных структур такие объекты могут располагаться случайным образом, или формировать упорядоченные массивы, в зависимости от параметров структуры и условий роста [18*]. В принципе, изменяя номинальную толщину напряженных слоев, можно плавно менять их морфологию - от однородных квантовых ям к сильно разупорядоченным квантовым ямам и, наконец, к упорядоченным или не упорядоченным 3-мерным массивам квантовых точек, влияя, таким образом, на структуру и степень беспорядка составленной из них сверхрешетки.

Приборный интерес к таким структурам связывается сейчас в первую очередь с возможностью их использования в качестве активной области низкопороговых инжекционных лазеров [18*]. Наиболее полно исследованы оптические свойства массивов квантовых точек типа I, образующихся в многослойных структурах ¡пАБЛЗаАБ, излучающих свет в ближнем ИК диапазоне. Достаточно подробно исследованы также структурные и оптические свойства многослойных структур на основе решеточпо-рассогласованной гетеропары СсШе^пБе [19*,20*]. Такие структуры были использованы в качестве активной области низкопороговых зеленых лазеров [21*]. Следует отметить, что практически все исследованные ранее многослойные гетероструктуры такого типа имели структуру зон типа I, а длина волны излучаемого ими света находилась в видимом или ближнем ИК диапазонах. Для перехода в область больших длин волн требовалась разработка и исследование новых систем материалов, в частности, обладающих структурой зон типа II.

Особый интерес представляют также многослойные структуры, составленные из соединений, не имеющих общих атомов. Как было ранее показано, оптическая спектроскопия линейно-поляризованного света в таких образцах, включающих сверхрешетки квантовых ям, позволяет получать данные о симметрийных свойствах состояний, участвующих в межзонной рекомбинации [22*,23*]. Подобные исследования в структурах с 0-мерными объектами (квантовыми дисками и • точками) ранее не проводились.

Перечисленные проблемы, связанные со свойствами нерегулярных сверхрешеток, можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся задачи зонной инженерии, т.е. конструирование и исследование систем связанных квантовых ям с заданными электронными свойствами, например, апериодичных сверхрешеток. Вторая группа объединяет случаи, когда специальное введение в сверхрешетку определенной нерегулярности, например, расширенной квантовой ямы, позволяет использовать такую структуру как инструмент исследования транспортных и оптических свойств самой сверхрешетки. К задачам третьей группы можно отнести исследования свойств сверхрешеток со специфичными, естественным образом возникающими нерегулярностями, как, например, магнитные поляроны в сверхрешетках РМП или квантовые диски и точки, образующиеся при росте структуры в результате процессов самоорганизации. Диссертационная работа представляет ряд актуальных исследований, имеющих отношение ко всем трем группам задач.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель диссертационной работы состояла в экспериментальном определении электронных и оптических свойств полупроводниковых гетероструктур с нерегулярными сверхрешетками, представляющих особый интерес, как с точки зрения фундаментальных исследований, так и для приборных применений. Список исследуемых структур включал: ОаАз/АЮаАв апериодичные сверхрешетки, 2п(Мп)8е/Сс1(Мп)8е сверхрешетки с различной степенью беспорядка, 2пМп8е/Сс18е полумагнитные сверхрешетки с вставленной немагнитной квантовой ямой 2пСс18е, 2пМп8е/2п88е полумагнитные сверхрешетки и квантовые ямы типа II, структуры типа II с квантовыми ямами и точками ваАв в Оа(А$)8Ь и сверхрешетки типа II СёЗе/ВеТе с массивами квантовых дисков различной степени упорядоченности.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- Развитие методов расчета электронного и экситонного спектра систем электронно связанных квантовых ям, разработка метода конструирования апериодичных сверхрешеток с заданными свойствами;

- Экспериментальное определение экситонного спектра и особенностей процессов переноса возбуждений в специально сконструированных гетероструктурах с апериодичной сверхрешеткой, выполненной в системе ОаАв/АЮаАз;

Экспериментальное наблюдение и теоретическая интерпретация эффектов пространственного накопления заряда в рм-п лазерных диодах, включающих апериодичные сверхрешетки в качестве инжекторов электронов и дырок;

- Изучение экситонного спектра и особенностей динамики экситонов в сверхрешетках С(18е/2п8е в зависимости от степени беспорядка в слоях;

- Определение методом оптической спектроскопии особенностей транспорта и релаксации спин-поляризованных носителей в гетероструктурах, включающих полумагнитные сверхрешетки 2п(Мп)8е с вставленной немагнитной квантовой ямой гпСаБе;

Экспериментальное выяснение основных механизмов магнитной и немагнитной локализации носителей в полумагнитных сверхрешетках 2пМп8е/2п88е;

- Определение связи между структурными и фотолюминесцентными свойствами гетероструктур с квантовыми ямами и точками типа II ваАэ в матрице ваБЬ;

Наблюдение инфракрасной электролюминесценции и лазерной генерации в диодах с массивами квантовых точек типа II ваАв в матрице ваБЬ;

Определение интенсивности и линейной поляризации фотолюминесценции массива квантовых дисков СёБе/ВеТе в зависимости от степени упорядочения элементов массива.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Впервые предложен метод, позволяющий однозначным образом рассчитывать конструкцию апериодичной сверхрешетки, обеспечивающей близкую к оптимальной туннельную прозрачность при заданных основных параметрах: величине внешнего электрического поля, а также ширине и положении квази-минизоны. Впервые экспериментально и теоретически исследовано влияние кулоновского взаимодействия электрона и дырки, составляющих экситон, на выстраивание квази-минизоны апериодичной сверхрешетки, экспериментально продемонстрировано выстраивание и замешивание в электрическом поле множественных экситонных состояний.

Впервые апериодичные сверхрешетки использовались в качестве инжекторов электронов и дырок в биполярной диодной лазерной структуре. Наблюдаемая в таких структурах бистабильность электролюминесценции и лазерной генерации объяснена эффектами накопления и перераспределения заряда.

Впервые наблюдалась инжекция спин-поляризованных носителей из полумагнитиой сверхрешетки (СёЗе/гпМпБе). Показано, что наблюдаемая эффективность инжекции (<30%) ограничивается быстрой спиновой релаксацией в немагнитной квантовой яме, используемой в качестве оптического детектора спиновой поляризации. Впервые эффективность спиновой релаксации в полумагнитной сверхрешетке исследована в зависимости от величины спинового расщепления в области расщеплений, сравнимых с энергией возбуждения продольного оптического фонона. Обнаружен эффект порогового роста скорости спиновой релаксации при превышении спиновым расщеплением энергии возбуждения ЬО фонона.

Впервые кинетика образования экситонных магнитных поляронов исследована в сверхрешетках и множественных квантовых ямах типа II гпМпЗе^пЗБе. Обнаружен эффект сосуществования в одной структуре экситонов, локализованных немагнитным образом, и экситонных магнитных поляронов. Эффект объяснен наличием определенной статистики локализации электронов в немагнитных слоях гиББе и магнитной локализации тяжелых дырок в полумагнитных слоях гпМпБе.

• Впервые исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства квантовых ям, квантовых точек и сверхрешеток типа II СаАзЛЗДАз^Ь. Квантовые точки, сформированные в результате процессов самоорганизации при росте тонких упруго растянутых слоев ваАв в матрице Са(Аз)8Ь, демонстрируют яркую фотолюминесценцию вплоть до комнатной температуры в спектральной области 1.8 мкм - 2.5 мкм. В сверхрешетках обнаружена тенденция к пространственной корреляции положений квантовых точек в соседних слоях.

• Впервые получены и исследованы электролюминесценция и лазерная генерация в диодах с короткопериодной сверхрешеткой, включающей квантовые ямы и точки типа II ОаАв/Оа(А8)8Ь.

• Впервые исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства массивов квантовых дисков со структурой зон типа II бинарного полупроводника (Сс18е), не имеющего общих атомов с окружающей матрицей (ВеТе). на защиту выносятся

1. Теоретический и экспериментальный подход к исследованию полупроводниковых апериодичных сверхрешеток, позволивший сформулировать принципы конструирования систем связанных квантовых ям, обеспечивающих максимальную туннельную прозрачность для носителей заряда при приложении электрического поля, обосновать применимость оптической экситонной спектроскопии для определения свойств протяженных электронных состояний в таких системах и продемонстрировать возможность приборного применения апериодичных сверхрешеток в качестве эффективных инжекторов носителей заряда в биполярных диодных структурах.

2. Оптико-спектроскопическое исследование экситонных свойств сверхрешеток и квантовых ям на основе немагнитных и полумагнитных полупроводников группы 2 6

А В , сделавшее возможным описание эволюции экситонного спектра сверхрешеток в зависимости от степени структурного беспорядка, выяснение особенностей кинетики энергетической релаксации и транспорта экситонов в немагнитных сверхрешетках СсШе^пБе, определение основных каналов потери спиновой поляризации в процессе инжекции спин-поляризованных носителей из полумагнитной сверхрешетки гпМпБе/СсШе в немагнитную квантовую яму гпСс^е и реализацию оптического переключения знака спиновой поляризации.

3. Магнито-оптическое исследование процессов магнитной локализации носителей в полумагнитных сверхрешетках и квантовых ямах типа И, показавшее возможность сосуществования в квази-равновесии экситонных магнитных поляронов и экситонов, локализованных немагнитным образом, а также неэффективность автолокализации экситонного магнитного полярона в квантовых ямах на основе 7пМп8е.

4. Комплексное исследование оптических, электронных и структурных свойств гетероструктур, включающих сверхтонкие упруго напряженные вставки ваАэ в матрице Са(Аз)8Ь, позволившее определить морфологию слоев ваАз в зависимости от их номинальной толщины, установить тип II зонной структуры вставок, идентифицировать стадию образования малодефектных оптически активных квантовых точек, показать тенденцию к вертикальным корреляциям в положении квантовых точек в разных слоях сверхрешеток СаА$ЛЗа(А8)8Ь и продемонстрировать перспективность использования таких сверхрешеток в качестве активной области лазерных диодов, работающих в ближней и средней ИК областях спектра.

5. Оптическое и структурное исследование сверхрешеток слоев Сс18е и ВеТе - бинарных соединений, не содержащих общих атомов, показавшее определяющую роль интерфейсных химических связей в процессе самоорганизации квантовых дисков и их упорядочении в трехмерном шахматном порядке, а также продемонстрировавшее применимость спектроскопии линейно-поляризованнного света для определения симметрии электронных состояний в подобных наноструктурах.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 23-х

Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:

• 23-м Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, Россия, 1996 г.)

• 2-й и 6-й Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 1996, 2003 гг.)

• 9-й Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Льеж, Бельгия, 1996 г.)

• Зимних школах ФТИ (Санкт-Петербург, 1997, 2001 гг.)

9-й, 10-й и 11-й Международных конференциях по соединениям А В (Киото, Япония, 1999 г.; Бремен, Германия, 2001 г.; Ниагара Фоллс, США, 2003 г., приглашенный доклад).

7-й Международной конференции по формированию полупроводниковых интерфейсов (Гетеборг, Швеция, 1999 г.).

6-й Международной конференции по оптике экситонов в ограниченных системах (Аскона, Швейцария, 1999).

Международном семинаре по достижениям в росте и характеризации полупроводников группы II-VI (Вюрцбург, Германия, 1999).

25-й и 26-й Международных конференциях по физике полупроводников (Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Великобритания, 2002 гг.).

2-й Международной конференции по сверхрешеткам, наноструктурам и наноприборам (Тулуза, Франция, 2002 г.).

Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология (Санкт-Петербург, 1996,2000,2001,2003 гг.).

1-й Международной конференции по физике и применениям спин-зависимых явлений в полупроводниках (Сендай, Япония, 2000 г.).

Международной конференции Общества исследования материалов (MRS) (Бостон, США, 2001 г.)

2-й Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в нитридах (Рефимнон, Греция, 2002, приглашенный доклад).

2-м Международном симпозиуме и летней школе "Нано- и Гига- задачи в микроэлектронике" (Краков, Польша, 2004, пленарный доклад).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы были получены следующие основные результаты.

1. Выполнен цикл работ по конструированию и исследованиям апериодичных сверхрешеток в системе ОаАз/АЮаАз:

- На основе метода сильной связи разработан алгоритм, позволяющий однозначным образом рассчитывать параметры апериодичной сверхрешетки, обеспечивающей формирование квази-минизоны на определенной энергии, с определенной шириной и в определенном электрическом поле;

- Формирование квази-минизоны в апериодичной электронной сверхрешетке, содержащей 9 квантовых ям ОаАз/АЮаАз, подтверждено экспериментально в результате исследования спектров фотолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции в содержащей сверхрешетку р-ьп гетероструктуре при варьируемом напряжении смещения. Продемонстрировано замешивание в области резонанса экситонных состояний из, по меньшей мере, 6-ти квантовых ям. Показано, что кулоновское взаимодействие электрона с дыркой обуславливает увеличение резонансного электрического поля и уменьшение протяженности электронной волновой функции;

- Показана эффективность работы апериодичных сверхрешеток в качестве электронного и дырочного инжекторов в ваАз/АЮаАз рч-п лазерном диоде. Обнаружена бистабильность вольт-амперной характеристики, сопровождаемая бистабилыюстыо электролюминесценции и лазерной генерации. Возникновение бистабильности объяснено эффектами накопления и перераспределения пространственного заряда в апериодичных сверхрешетках.

2. Выполнен цикл работ по исследованию процессов энергетической и спиновой релаксации, а также транспорта носителей в сверхрешетках Сс1(Мп)5е/2п(Мп)5е:

- Экситонный спектр исследован в зависимости от степени беспорядка в слоях сверхрешеток Сс18е/2п8е. Увеличение беспорядка в слоях приводит к сдвигу нижнего экситонного пика в длинноволновую сторону и подавления его относительной интенсивности. Оба эффекта объяснены неоднородностью латерального распределения Сё в плоскости слоев, т.е. образованием гпСёБе островов;

- Эксперименты по исследованию резонансной ФЛ позволили определить особенности энергетической релаксации и локализации экситонов в разупорядоченных сверхрешетках Сс18е/2п8е. Оказалось, что понятие экситонного края подвижности в этих структурах имеет ограниченное применение, вероятно, из-за наличия "макроскопических" корреляций на шкале размеров, сильно превышающих боровский радиус экситона;

- Инжекция спин-поляризованных носителей из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную квантовую яму наблюдалась во внешнем магнитном поле в структурах, содержащих СсШе^пМпБе сверхрешетку с вставленной квантовой ямой гпСсШе. Показано, что максимальная эффективность спиновой инжекции (~30 %) определяется процессами спиновой релаксации в квантовой яме 2пСс18е, используемой в качестве оптического детектора электронной спиновой поляризации;

Эффективность спиновой релаксации в полумагнитной сверхрешетке СёБе/гпМпБе исследована в зависимости от величины спинового расщепления экситонов. Обнаружено пороговое поведение: скорость релаксации между спиновыми подзонами резко растет при превышении спиновым расщеплением энергии возбуждения оптического фонона;

- В структуре, включающей немагнитную квантовую яму гпСёБе и полумагнитную квантовую яму гпМпБе, реализовано переключение знака спиновой поляризации при изменении длины волны возбуждающего света или величины внешнего магнитного поля.

3. Исследована кинетика локализации экситонов в полумагнитных сверхрешетках и множественных квантовых ямах гпМпБе^пЗБе. Длинные времена рекомбинации (~5 не), характерные для исследуемых квантовых ям типа II, позволили полностью описать процесс формирования экситонного магнитного полярона - вплоть до установления квази-равновесных условий. Обнаружен эффект сосуществования экситонных магнитных поляронов и экситонов, локализованных немагнитным образом, определяемый статистикой начальной локализации электронов в немагнитной квантовой яме гпББе и дырок в полумагнитной квантовой.яме 7пМпБе.

4. Выполнен цикл работ по структурной и оптической характеризации гетероструктур с квантовыми ямами, квантовыми точками и сверхрешетками ваЛв!. хБЬх/ОаАз^уБЬу (х«у):

- Определена связь между структурными и фотолюминесцентными свойствами структур, включающих тонкие упруго-растянутые вставки ОаАв в матрице Оа(Аз)8Ь. Узкий пик фотолюминесценции с энергией кванта вблизи 0.7 эВ, положение которого лишь слабо зависело от номинальной толщины вставок, был идентифицирован как излучение одно-монослойной СаАзБЬ квантовой ямы типа II. Более широкий пик, наблюдавшийся в слоях с номинальной толщиной превышающей ~1 монослой и быстро сдвигающийся с увеличением номинальной толщины в сторону меньших энергий, был определен как излучение СаАвБЬ квантовых точек типа II;

- Электролюминесценция и лазерная генерация наблюдались в р-1-п лазерных диодах, включающих в активной области сверхрешетку типа II GaAsi.xSbxZGaAsi.ySby (х«у);

5. Исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства гетероструктур со сверхрешетками тонких вставок С<18е в матрице ВеТе:

- Определена связь основных характеристик спектра фотолюминесценции (положение и интенсивность пика) и морфологии структур, определяемой параметрами роста интерфейсных слоев. Максимальная интенсивность фотолюминесценции соответствовала формированию упорядоченного (30 шахматный порядок) массива плоских островков (квантовых дисков);

- Измерена зависимость степени линейной поляризации фотолюминесценции по отношению к латеральным кристаллическим осям [110] и [1-10] в зависимости от степени упорядоченности массивов квантовых дисков и химического состава интерфейсных слоев. Максимальная степень поляризации (~80%) соответствовала образцам с хорошо упорядоченным массивом квантовых дисков. Такая большая величина степени поляризации свидетельствует о близости симметрии электронных состояний, участвующих в излучательных переходах, к симметрии одиночного плоского гетероинтерфейса (СгУ).

Совокупность решенных в работе проблем может быть сформулирована как решение важной для нашей страны научной и практической задачи - определения фундаментальных свойств класса низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур, перспективных для использования в электронных, оптоэлектронных и спиптронных приборах нового поколения.

В заключении мне хочется поблагодарить всех, чье участие, помощь и поддержка способствовали реализации этой программы исследований и написанию диссертационной работы. Прежде всего, моих коллег и друзей, без совместных напряженных усилий которых эта работа была бы невозможна: Сергея Иванова, Татьяну Шубину, Сергея Сорокина, Ирину Седову, Ольгу Люблинскую, Антона Лебедева, Якова Терентьева, Бориса Мельцера, Виктора Соловьева, Алевтину Копьеву, Регинальда Кютта, Аллу Ситпикову, Наталью Ильинскую и других сотрудников лабораторий института.

Людей, поддерживающих и направляющих мою научную работу в различные периоды жизни: Р.П. Сейсяна, П.С. Копьева и Е.Л. Ивченко.

Я также благодарен моим иностранным коллегам за плодотворное многолетнее сотрудничество и человеческое взаимопонимание: сотрудникам лаборатории проф. А. Ваага (Университет г. Брауншвайг, Германия), лаборатории проф. Б. Монемара (Отдел физики и технологии Университета г. Линчепинг, Швеция) и лаборатории проф. М. Вилландера (Университет г. Гетеборга и Чалмерс Университет, Швеция).

1. W. Molenkamp, Electron spin manipulation using semimagnetic resonant tunneling diodes //

2. GexSiix/Si strained-layer heterostructures // Appl. Phys. Lett., 1985, v. 47, p. 322-324.93*, Y.-W. Mo, D.E. Savage, B.S. Swartzentruber, M.G. Lagally, Kinetic pathway in Stranski

3. Box Islands on GaAs(lOO) // Phys. Rev. Lett., 1995, v. 75, pp. 2542-2545.120Î J. Tersoff, C. Teichert, M.G. Lagally, Self-Organization in Growth of Quantum Dot

4. Superlattices // Phys. Rev. Lett., 1996, v. 76, pp. 1675-1678.121* G.S. Solomon, J.A. Trezza, A.F. Marshall, J.S. Harris, Vertically Aligned and

5. As/GaAs self-organized quantum dots // Phys. Rev. B, 2001, v.63, pp. 233306-1 233306-4.

6. ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ВКЛЮЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИЮ

7. S.M. Сао, М. Willander, E.L. Ivchenko, A.I. Nesvizhskii, A.A. Toropov, Electrons and excitons in an imperfect superlattice in electric fields // Superlattices and Microstructures, 1995, v. 17, pp. 97-105.

8. A.A. Toropov, T.V. Shubina, R.N. Kyutt, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, D.L. Fedorov, M. Karlsteen, M. Willander, Excitonic spectrum in CdSe/ZnSe disordered superlattices // phys. stat. sol. (a), 2000, v. 178, pp. 203-210.

9. R.N. Kyutt, A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, M. Karlsteen, M. Willander, Spatial distribution of Cd in CdSe/ZnSe superlattices studied by X-ray diffraction //Applied Surface Science, 2000, v. 166, pp. 341-345.

10. A.A. Toropov, T.V. Shubina, A.V. Lebedev, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov,\G.R. Pozina, J.P. Bergman, B. Monemar, Dynamics of excitons near the mobility edge in CdSe/ZnSe superlattices // Journal of Crystal Growth, 2000, v. 214/215, pp. 806-809.

11. T.V. Shubina, A.A. Sitnikova, V.A. Solov'ev, A.A. Toropov, I.V. Sedova, S.V. Ivanov, M. Keim, A. Waag, G. Landwehr, Defect-induced island formation in CdSe/ZnSe structures // Journal of Crystal Growth, 2000, v. 214/215, pp. 727-731.

12. A.A. Toropov, S.V. Sorokin, K.A. Kuritsyn, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, G. Reuscher, A. Waag, G. Landwehr, Mt. Wagner, W.M. Chen, B. Monemar, Magnetooptical studies of CdSe/(Zn,Mn)Se semimagnetic nanostructures // Proceedings of 8' Int. Symp.

13. Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 19-23, 2000, pp. 440-443.

14. I.A. Buyanova, W.M. Chen, B. Monemar, A.A. Toropov, Ya.V. Terent'ev, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, On the spin injection in ZnMnSe/ZnCdSe heterostructures // Physica E, 2002, v. 13, pp. 538-541.

15. I.A. Buyanova, G.Yu. Rudko, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Control of spin functionality in ZnMnSe-based structures: Spin switching versus spin alignment // Appl. Phys. Lett., 2003, v. 82, pp. 1700-1702.

16. I.A. Buyanova, G.Yu. Rudko, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Resonant suppression of exciton spin relaxation in Zno.96Mno.04Se/CdSe superlattices // J. Appl. Phys., 2003, v. 93, pp. 7352-7354.

17. I.A. Buyanova, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Exiton Spin Manipulation in ZnMnSe-based Structures // Journal of Superconductivity, 2003, v. 16, pp. 399-402.

18. A.A. Торопов, A.B. Лебедев, C.B. Сорокин, Д.Д. Солнышков, C.B. Иванов, П.С. Копьев, И.А. Буянова, В.М. Чен, Б. Монемар, Полумагнитные сверхрешетки типа II ZnMnSe/ZnSSe: рост и магнитолюминесцентные свойства // ФТП, 2002, т. 36, с. 1372-1378.

19. V.A. Solov'ev, A.A. Toropov, B.Ya. Mel'tser, Ya.V. Terent'ev, R.N. Kyutt,

20. A.A. Sitnikova, A.N. Semenov, S.V. Ivanov, Motlan, E.M. Goldys, P.S. Kop'ev, Novelth

21. GaAs/GaSb heterostructures emitting at 2 цт wavelength // Proceedings of 9 Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 18-22,2001, pp. 58.

22. A.A. Toropov, O.G. Lyublinskaya, V.A. Solov'ev, S.V. Ivanov, Sb-based nanostructures for mid-IR optoelectronics // Chapter in "III-V Semiconductor Heterostructures: Physics and Devices" (ed. W.Z. Cai, Research Signpost), 2003, pp. 169-199.

23. S.V. Ivanov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, A.A. Toropov, R.N. Kyutt, A.A. Sitnikova, M. Willander, A. Waag, G. Landwehr, Interface Engineering in Type-II CdSe/BeTe Quantum Dots // Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 2002, v. 696, pp. N6.4.1-6.4.6.

24. S.V. Ivanov, A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, R.N. Kyutt, A.A. Sitnikova, D.D. Solnyshkov, O.V. Nekrutkina, CdSe-based nanostructures: growth, properties, lasers // phys. stat. sol. (b), 2004, v. 241, pp. 531-537.

25. A.A. Toropov, O.V. Nekrutkina, M.O. Nestoklon, S.V. Sorokin, D.D. Solnyshkov, S.V. Ivanov, A. Waag, G. Landwehr, T-X electron level crossover in ZnSe/BeTe multiple quantum wells // Phys. Rev. B, 2003, v. 67, pp. 113307(1-4).