Энергетический спектр двумерных электронных состояний в гетеро- и МДП-структурах на основе бесцелевого полупроводника HgCdTe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО рБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. М. ГОРЬКОГО

ЛАРИОНОВА Виола Анатольевна

УДК 621.315.592

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ В ГЕТЕРО- И МДП-СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ БЕСЩЕЛЕВОГО ПОЛУПРОВОДНИКА НдСсГГе.

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель: кандидат физико - математических наук, старший научный сотрудник ГЕРМАНЕНКО А. В.

Екатеринбург 1998

На правах рукописи

о

Оглавление

Введение............................................................................................................ 5

Глава I. Двумерные состояния в узкощелевых и бесщелевых

полупроводниках. Обзор литературы................................... 12

§1. Энергетический спектр бесщелевых и узкощелевых полупроводников Нд1_хСс1хТе.................................................... 12

§2. Поверхностные и интерфейсные состояния....................... 20

§3. Энергетический спектр носителей заряда в тонких

пленках и симметричных квантовых ямах........................... 27

§4. Двумерные электронные состояния в приповерхностных квантовых ямах в узкощелевых и бесщелевых полупроводниках.............................................................................. 31

§5. Спин-орбитальное расщепление спектра двумерных состояний в приповерхностных квантовых ямах и резонансные эффекты........................................................................ 40

§6. Экспериментальные исследования двумерных состояний в приповерхностной квантовой яме в бесщелевых

полупроводниках......................................................................... 45

Выводы и постановка задачи.......................................................... 47

Глава II. Особенности энергетического спектра двумерных носителей в гетероструктуре полупроводник/бесщелевой

полупроводник.............................................................................. 49

§ 1. Постановка задачи для численного расчета спектра двумерных состояний в плавном гетеропереходе без

учета удаленных зон................................................................... 51

§2. Влияние ширины гетероперехода на энергетический спектр интерфейсных состояний в гетероструктуре

НдТе/СсГГе..................................................................................... 56

§3. Закон дисперсии двумерных состояний в гетероструктуре НдТе/СсГГе при наличии потенциальной квантовой ямы вблизи гетерограницы............................................... 63

Глава III. Анализ результатов туннельных исследований гетеро-

структур HgTeZHgo.05Cdo.95Te.................................................. 71

§1. Принципы туннельной спектроскопии как метода исследования..................................................................................... 71

§2. Заселенности подзон размерного квантования в гетероструктуре НдТе/Нд0.о5Сс1о.95Те по данным туннельных

исследований................................................................................. 75

§3. Расчет заселенностей подзон размерного квантования в гетероструктуре HgTeZHg0.05Cd0.95Te. Сравнение с экспериментом................................................................................... 80

Глава IV. Двумерные носители в МДП-структурах на основе бесщелевого Нд1_хСс1хТе. Анализ данных туннельных исследований..................................................................................... 86

§ 1. Особенности расчета спектра двумерных состояний в гетероструктуре бесщелевой полупроводник/диэлектрик................................................................................................. 86

§2. Влияние величин разрывов зон Гб и Г8 на гетерогра-

нице на спектр двумерных состояний................................... 89

§3. Спин-орбитальное расщепление и эффективная масса двумерных состояний в МДП-структуре. Анализ экспериментальных данных................................................................ 93

Глава V. Межзонное смешивание двумерных состояний с объемными состояниями тяжелых дырок в бесщелевом и узкощелевом полупроводниках................................................ 103

§ 1. Учет удаленных зон в задаче о нахождении энергетического спектра двумерных состояний в гетерострук-

туре.................................................................................................. 103

§2. Энергетический спектр резонансных двумерных состояний в гетероструктуре. Резонансное уширение............... 109

§3. Интерпретация результатов туннельных исследований................................................................................................... 119

Заключение...................................................................................................... 125

Приложение. Учет влияния зоны Г7.......................................................... 129

Литература....................................................................................................... 133

Введение

Всевозрастающий интерес к электронным системам с пониженной размерностью связан с последними достижениями микроэлектроники на пути миниатюризации микроэлектронных приборов. Развитие технологических методов, таких как метод молекулярно-лучевой эпитаксии и электронно-лучевой литографии, реализации различных микроэлектронных систем делает возможным изготовление с высокой степенью точности тонкопленочных структур типа металл/диэлектрик/полупроводник (МДП), различного рода гетеропереходов, сверхрешеток, а также систем квантовых проволок и точек. Возможное применение таких структур для создания новых электронных приборов поддерживает постоянный интерес исследователей к ним. Принципиально новые физические явления, обнаруженные в системах с пониженной размерностью, уже нашли свое практическое применение. Так, например, на основе квантового эффекта Холла создан эталон электрического сопротивления; на основе квантовых гетероструктур создан полупроводниковый лазер, работающий в голубой области видимого спектра излучений.

Проявление квантовых эффектов в системах с пониженной размерностью делает их привлекательными объектами для фундаментальных исследований. Наиболее исследованными являются системы двумерных носителей в приповерхностных квантовых ямах, тонких пленках, гетеро- и МДП структурах, изготовленных на основе широкозонных полупроводников, таких как 81, СэАб [1]. Связано это, в первую очередь, со значительными успехами в технологии получения высококачественных структур, а также с возможностью применения традиционных экспериментальных методов, таких как

гальваномагнитные и оптические исследования, для изучения свойств двумерных электронных систем в широкозонных полупроводниках.

Большой интерес, как с научной, так и с практической точки зрения, представляют узкозонные и бесщелевые полупроводниковые материалы. На основе наиболее изученного в настоящее время узкозонного полупроводника Нд1_хСс1хТе созданы чувствительные приемники инфракрасного излучения, работающие в актуальной области спектра. Высокая чувствительность энергетического спектра этого материала к внешним воздействиям делает принципиально возможным создание перестраиваемых источников излучения и фотоприемников. То обстоятельство, что полупроводники Нд1_хСс1хТе образуют непрерывный ряд твердых растворов, дает уникальную возможность получать материалы с различной шириной запрещенной зоны вплоть до нулевой, что трудно переоценить с прикладной точки зрения.

Как известно, электрофизические свойства полупроводниковых материалов определяются энергетическим спектром носителей заряда [2]. Особенностью энергетического спектра узкощелевых и бесщелевых полупроводников является сильная непараболичность энергетического спектра свободных носителей заряда, малая величина эффективной массы электронов на дне зоны проводимости, большое спиновое расщепление электронных состояний в магнитном поле. Как следствие, энергетический спектр двумерных состояний в таких материалах существенно отличается от спектра двумерных состояний в широкозонных полупроводниках. Так в полуограниченном узкощелевом или бесщелевом полупроводнике даже в отсутствие притягивающего носители потенциала вблизи границы полупроводника существуют так называемые интерфейсные (или

поверхностные) двумерные состояния [3, 4, 5]. Эти состояния играют важную роль в формировании спектра двумерных состояний в тонких пленках [6] и квантовых ямах [7, 8].

Яркие особенности возникают при размерном квантовании носителей в несимметричной квантовой яме, одним из примеров которой является поверхностная квантовая яма, возникающая в результате изгиба зон у поверхности полупроводника. В результате спин-орбитального взаимодействия в такой системе происходит снятие спинового вырождения двумерных подзон при ненулевом значении квазиимпульса даже в отсутствие магнитного поля [9]. В узкощелевых и бесщелевых полупроводниках величина спин-орбитального расщепления двумерных подзон на порядок больше, чем в случае широкозонных материалов [10, 11, 12], что существенно облегчает экспериментальное исследования данной особенности.

Вследствие малости ширины запрещенной зоны в узкощелевых полупроводниках и ее отсутствия в бесщелевых полупроводниках электронные двумерные состояния, локализованные в поверхностной квантовой яме, могут находиться на фоне состояний валентной зоны объема полупроводника. Если в узкощелевых полупроводниках влияние такого резонанса на спектр двумерных состояний довольно подробно было исследовано [13, 14, 15], то в бесщелевых полупроводниках этот вопрос практически не изучен.

Экспериментальные исследования двумерных состояний в бесщелевых материалах традиционными гальваномагнитными и оптическими методами затруднены вследствие высокой проводимости и высокой оптической плотности объема полупроводника. Практически все результаты получены методом вольт-емкостной [16, 17] и туннельной спектроскопии [18] в магнитном поле. Объектами

исследований в этих экспериментах являются гетеро- и МДП структуры на основе бесщелевого полупроводника, в которых двумерные носители локализованы в квантовой яме, образованной изгибом зон вблизи гетерограницы бесщелевой полупроводник /широкозонный полупроводник или бесщелевой полупроводник/ диэлектрик. Это делает невозможным использование результатов известных теоретических работ для количественной интерпретации экспериментальных результатов. Кроме того, вследствие взаимной диффузии компонент в реальных структурах гетеропереход оказывается нерезким. Влияние нерезкости гетероперехода на спектр двумерных состояний в гетероструктурах на основе бесщелевого полупроводника не исследовано.

В связи с вышеизложенным, цель настоящей работы была сформулирована следующим образом: исследовать энергетический спектр двумерных электронных состояний в реальных гетеро- и МДП-структурах на основе бесщелевого полупроводника при наличии изгиба зон вблизи гетерограницы.

В работе был рассчитан энергетический спектр двумерных состояний в рамках кР - модели. Реальные структуры моделировались введением в гамильтониан координатной зависимости положений краев энергетических зон и электростатического потенциала в области гетерограницы. Нахождение энергетического спектра носителей заряда в этом случае представляет собой задачу на нахождение собственных значений и собственных функций системы дифференциальных уравнений для огибающих волновых функций. Сделанное в работе приближение плоских энергетических зон в области, достаточно удаленной от гетерограницы, позволило корректно сформулировать граничные условия. Для решения использовались

методы прямого численного интегрирования систем дифференциальных уравнений.

Работа сделана в отделе оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ физики и прикладной математики при Уральском государственном университете в рамках исследований, проводимых в лаборатории физики электронных явлений в полупроводниках по теме 2.6.3 "Свойства двумерного электронного и дырочного газа. Фундаментальное исследование", при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 97-02-16168), программ Физика твердотельных наноструктур (грант 971091) и Университеты России.

Основные научные результаты работы сводятся к следующему:

• исследовано влияние ширины гетероперехода на спектр интерфейсных состояний электронного типа в гетероструктуре бесщелевой полупроводник/полупроводник на примере НдТе/СсГГе; показано, что уширение гетероперехода приводит к понижению энергии интерфейсных состояний и к существенной перестройке их спектра - если в узких гетеропереходах существует только одна ветвь невырожденных интерфейсных состояний, то в гетеропереходах с большой шириной переходной области имеются две ветви таких состояний.

• исследована эволюция спектра двумерных состояний в узких гетеропереходах бесщелевой полупроводник/полупроводник при изменении глубины квантовой ямы, образованной гетерограницей с одной стороны и электростатическим потенциалом с другой; показано, что наличие квантовой ямы малой глубины приводит к понижению энергии интерфейсных состояний и возникновению второй ветви интерфейсных состояний; при увеличении глубины квантовой ямы из

этих ветвей формируются две ветви основной подзоны размерного квантования, расщепленной спин-орбитальным взаимодействием в несимметричной квантовой яме;

• проведенный количественный анализ результатов туннельных исследований гетероструктуры НдТе/НдСс1Те показал, что осцилляции туннельной проводимости в магнитном поле связаны с квантованием энергетического спектра двумерных состояний, локализованных в квантовой яме вблизи гетерограницы; сложная осцилляционная зависимость туннельной проводимости от магнитного поля обусловлена наличием нескольких заполненных размерно квантованных подзон, расщепленных спин-орбитальным взаимодействием в несимметричной квантовой яме;

• показано, что предложенный в работе метод расчета энергетического спектра двумерных электронных состояний в гетероструктурах может быть использован для исследования энергетического спектра МДП структур, где в качестве диэлектрика используется аморфный материал; в работе описаны экспериментальные зависимости квазиимпульса двумерных состояний от энергии в широком интервале энергий, включая область резонанса с состояниями валентной зоны, расщепление размерно-квантованных подзон, вызванное спин-орбитальным взаимодействием в несимметричной квантовой яме и эффективная масса двумерных состояний;

• исследованы двумерные состояния в бесщелевом полупроводнике в условиях, когда они находятся в резонансе с состояниями тяжелых дырок валентной зоны; показано, что в узкой области квазиимпульсов межзонное смешивание приводит к значительному уширению уровней двумерных состояний вплоть до

полного их исчезновения; проанализированы резонансные эффекты в узкощелевом полупроводнике; показано, что при высоком уровне легирования в этих материалах межзонное смешивание также приводит к существенному уширению уровней двумерных состояний, не оказывая при этом влияния на заселенности размерно-квантованных подзон.

Основные результаты опубликованы в [19, 20, 21, 22, 23] и докладывались на Международном симпозиуме "Гетероструктуры в науке и технологии" (Вюрцбург, март 1995 г.) [24, 25], 2-й Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, февраль 1996 г.) [26], 12-й Международной конференции по применению сильных магнитных полей (Вюрцбург, июль 1996 г.) [27], Международном симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург, июнь 1997 г.) [28].

Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что физические явления на границах раздела различных полупроводниковых материалов оказывают, зачастую, определяющее влияние на параметры приборов микро- и оптоэлектроники. Существенным является то, что многие из таких приборов работают при низких температурах, когда квантовые эффекты проявляются сильнее. Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских институтах и предприятиях, занимающихся исследованием и разработкой оптоэлектронных приборов, генераторов ИК-излучения и фотоприемников.

Глава I. Двумерные состояния в узкощелевых и бесщелевых полупроводниках. Обзор литературы

Прежде чем приступить к рассмотрению энергетического спектра размерно квантованных состояний в бесщелевом полупроводнике Hgi.xCd.xTe, остановимся на спектре носителей заряда в объемном материале.

§1. Энергетический спектр бесщелевых и узкощелевых полупроводников Нд],хСс1хТе

Полупроводник Нд1_хСс1хТе представляет собой твердый раствор двух полупроводниковых соединений НдТе и СсГГе, каждое из которых является соединением типа АПВУ1. Такие соединения обладают структурой цинковой обманки, имеющей симметрию точечной пространственной группы Т^, и являются прямозонными материалами - экстремумы зоны проводимости и валентной зоны расположены в центре зоны Бриллюэна в точке Г. Строго говоря, полупроводник Нд1_хСс1хТе не обладает данной симметрией из-за нарушения трансляционной инвариантности кристаллического потенциала вследствие случайного расположения атомов кадмия, замещающих атомы ртути в кристаллической решетке