Энергетический спектр гетероструктур GaAs/GaP и GaSb/GaP тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Абрамкин Демид Суад

Энергетический спектр гетероструктур ваАв/СаР и СавЬ/СаР

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

6 НАР 2013

Л4ШЩ-

Новосибирск 2012

005050250

005050250

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

Шамирзаев Тимур Сезгирович, кандидат физико-математических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник.

Официальные оппоненты:

Овчинников Сергей Геннадьевич, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. JI.B. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, заместитель директора.

Гриняев Сергей Николаевич, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доцент.

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Защита состоится « 12 » марта 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.003.037.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук

Автореферат разослан « 5 » февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

Погосов Артур Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Появление низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами (ЬСЯ) и квантовыми точками (КТ) не только открыло возможности для создания новых полупроводниковых приборов, но и позволило проводить исследования новых физических явлений фундаментального характера. К настоящему времени, наиболее исследованными гетероструктурами являются прямозонные ваАз/АЮаАз ЬСЯ и (1п,Оа)АзЛЗаАз КТ первого рода (оба типа носителей заряда локализованы внутри КЯ и КТ), а так же непрямозонные ОаАз/А1Аз КЯ и Ос(Я1)/51 КТ второго рода (электроны и дырки разделены в реальном пространстве). Недавние теоретические расчеты обратили внимание исследователей на еще один, до сих пор экспериментально не исследовавшийся, тип полупроводниковых гетероструктур - КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной [С1,С2]. Гетероструктуры с таким типом энергетического спектра могут бьггь удобными объектами для анализа физических процессов, изучение которых в других типах полупроводниковых гетероструктур затруднено. Характерным примером такого процесса является спиновая релаксация экситонов в КТ. Сильная локализация в КТ приводит к подавлению механизмов, определяющих переворот спина свободно двигающихся экситонов, таких как механизмы Эллиота-Яфета и Дьяконова-Переля, смещая характерные времена спиновой релаксации экситонов в миллисекундный диапазон времен. В прямозонных КТ времена релаксации спиновых состояний экситонов становятся на несколько порядков величины больше лежащих в наносекундном диапазоне времен жизни экситона. В тоже время, требования закона сохранения квазиимпульса приводит к увеличению времени жизни экситона в КТ первого рода с непрямой запрещённой зоной [СЗ] делая эти объекты перспективными для экспериментального изучения процессов спиновой релаксации экситонов в нульмерных системах.

В соответствии с теоретическими расчетами гетероструктуры с КТ первого рода с непрямой запрещённой зоной могут быть сформированы на основе соединений АЗ-В5. ОаАэ и ваБЬ в матрице ОаР [С 1 ,С2]. Между тем, строение и энергетический спектр гетероструктур с КЯ и самоорганизованными КТ, сформированных в гетеросистемах ОаА$/СаР и ОаБЬ/ОаР, до сих пор экспериментально не изучались.

Целью работы заключается в исследовании энергетического спектра гетероструктур ОаАзДЗаР и ОаЯЬ/СаР с КЯ и самоорганизованными КТ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение строения гетероструктур с самоорганизованными КТ СаАБ/СаР и Оа8Ь/ОаР: формы, размеров, механических напряжений и состава квантовых точек, и структуры лежащего в основании массива квантовых точек смачивающего слоя (СС), являющегося КЯ.

2. Определение энергетического спектра СаАэ/ОаР и ваБЬ/СаР КТ и СС с учётом особенностей их строения.

Научная новизна работы. Все основные экспериментальные и расчетные результаты диссертационной работы получены впервые. Научная новизна конкретных результатов состоит в следующем:

1. Показано, что псевдоморфно напряжённые СаА5Р/ОаР и СаЗЬР/ОаР КТ и ОаАз/ваР КЯ имеют энергетический спектр второго рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим X долине зоны проводимости ОаР, псевдоморфно напряжённые СаБЬРЛЗаР КЯ имеют энергетический спектр первого рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим Л'ху долине зоны проводимости СаБЬР, вне зависимости от состава твёрдого раствора, из которого состоят КТ и КЯ.

2. Показано, что релаксация механических напряжений в ваАз/ОаР и ОаБЬ/ОаР КТ идёт за счёт введения сетки ломеровских дислокаций в плоскости геггерограницы квантовая точка -матрица. Показано, что релаксация механических напряжений не приводит к увеличению темпа безызлучательной рекомбинации экситонов в гетероструктурах ОаАэ/СаР и СаБЬ/ваР с КТ.

3. Установлено, что энергетический спектр КТ первого рода, сформированных из ненапряженных ваАв и ваБЬ в матрице ваР, существенно зависит от высоты КТ. Основное электронное состояние КТ с высотой меньше 3 нм принадлежит Ь долине зоны проводимости. В КТ большего размера основное электронное состояние принадлежит Г долине зоны проводимости.

Практическая значимость

1. Высокая эффективность излучательной рекомбинации, демонстрируемая гегероструктурами Са(Аз,Р)/СаР и Оа(5Ь,Р)ЛЗаР с КЯ и КТ, указывает на возможность применения этих гетероструктур для создания светоизлучающих приборов.

2. Разделение носителей заряда в пространстве квазиимпульсов в КТ СаАх/СаР и БаБЬ/ваР первого рода с полной релаксацией механических напряжений приводит к увеличению

времени жизни экситонов вплоть до времён, сравнимых с временами релаксации спиновой ориентации экситонов - порядка сотен микросекунд. Возможность создания долгоживущих спиновых состояний экситонов в данных КТ делает их перспективными для приложений спинтроники.

Защищаемые положения.

1. В зависимости от размеров КТ, основное электронное состояние полностью релаксированных ваЛя/СаР и СаБЬ/ваР КТ с энергетическим спектром первого рода может лежать как в ¿, так и в 7" долине зоны проводимости.

2. Псевдоморфно напряжённые ОаАз/СаР КЯ имеют энергетический спектр второго рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим X долине ОаР.

3. Псевдоморфно напряжённые ОаЗЬРЛЗаР КЯ имеют энергетический спектр первого рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим Л\у долине зоны проводимости ОаБЬР, вне зависимости от состава твёрдого раствора КЯ.

4. Псевдоморфно напряжённые КТ СаАБР/ОаР и СаЗЬРЛЗаР имеют энергетический спектр второго рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим Хг долине зоны проводимости ОаР, вне зависимости от состава твёрдого раствора КТ.

Достоверпость и надежность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается тщательной проработкой инженерно-технического оснащения экспериментов, проведением тестовых измерений, проверкой экспериментов на воспроизводимость, сопоставлением с результатами других авторов.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на:

1. XII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2010 (Хужир, Россия, 26-31 июля 2010);

2. XIX Международном симпозиуме «Наноструктуры — физика и технология» (Екатеринбург, Россия, 20-25 июня 2011);

3. Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника-2011» (Новосибирск, Россия, 22-26 августа 2011);

4. Азиатской школе-конференции по физике и технологии наноструктурированных материалов «А5ССММапота1-2011» (Владивосток, Россия, 22-27 августа 2011);

5. XIII Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 21-25 ноября 2011);

6. XVI Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 12-16 марта 2012);

7. XIII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2012 (Бухта «Песчаная», Россия, 16-22 июля 2012).

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в подготовке и проведении экспериментов, обработке и интерпретации экспериментальных данных. Написание статей проводилось автором совместно с научным руководителем Т. С. Шамирзаевым.

Публикации. Материалы диссертации с требуемой полнотой изложены в 12 научных публикациях [А1-А12], среди которых 4 статьи в рецензируемых научных журналах [А1-А4] (2 - в отечественных [А2,АЗ]), 8 работ в материалах международных и российских конференций [А5-А12]. В том числе, 4 работы опубликовано в научных журналах, входящих в список Высшей аттестационной комиссии для опубликования материалов диссертаций [А1-А4].

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Рабата содержит 134 страниц, в том числе 30 рисунков и список литературы, включающий 117 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая значимость результатов работы, перечислены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Обсуждается энергетический спектр полупроводниковых гетероструктур. Приводится обзор работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию гетероструктур, сформированных на основе бинарных полупроводниковых соединений АЗ-В5: СаЛя/ОаР и ваЗЬ/ваР. В соответствии с недавними теоретическими расчетами гетерострукгуры, сформированные на основе ОаАз/ОаР и Са.ЧЬ/СаР могут иметь новый, не изучавшийся ранее энергетический спектр - первого рода с непрямой запрещённой зоной. Однако экспериментальные исследования таких гетероструктур были направлены на изучение сверхрешёток ваАз/СаР, а также процессов формирования ваАэ и ва5Ь

самоорганизованных островков на поверхности GaP. В то время как, строение и энергетический спектр КТ и одиночных КЯ - захороненных в матрице GaP наноостровков и тонких слоев GaAs и GaSb - экспериментально не изучались.

Вторая глава посвящена методическим вопросам исследования. Объектом исследования являются полупроводниковые гетероструктуры GaAs/GaP и GaSb/GaP, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложках ориентации (001). Описаны условия синтеза гетероструктур. Обсуждаются методы анализа строения гетероструктур с КТ. Описываются: (1) методика определения степени релаксация механических напряжений в КТ по периоду муара на планарных изображениях гетероструктур, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и (2) методика определения состава твердого раствора опирающаяся на анализ спектров комбинационного рассеяния света (КРС). Приводится методика определения рода энергетического спектра гетероструктур, основанная на измерении интенсивностной зависимости положения полосы в спектрах фотолюминесценции (ФЛ) гетероструктур, предложенная в работе Леденцова с соавторами [С4,С5]. В гетерострукгурах второго рода полоса ФЛ демонстрирует смещение в высокоэнергетическую область спектра, пропорциональное корню кубическому от плотности мощности возбуждения (Рсх). В то время как в гетероструюурах с энергетическим спектром первого рода при сравнимых значениях Рех, положение полосы экситонной ФЛ не зависит от РСх Описаны экспериментальные установки для измерения стационарной и время-разрешённой ФЛ. Обосновываются условия измерений спектров ФЛ гетероструктур GaAs/GaP, при которых возможно однозначное разделение полос ФЛ, связанных с рекомбинацией носителей заряда в подложке GaP и рекомбинацией экситонов в GaAs КЯ и КТ [А12]. Описаны методы расчёта энергетического спектра гетероструктур.

В третьей главе описаны результаты экспериментального исследования строения гетероструктур, сформированных на основе GaAs/GaP и GaSb/GaP. В параграфе 3.1 описывается влияние температуры эпитаксии (Ts) на строение гетероструктур, полученных при осаждении на GaP поверхность GaAs слоя с толщиной, эквивалентной 3-м монослоям вещества. Анализ реконструкции ростовой поверхности методом дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО) позволил показать, что при температуре Ts — 420±10°С имеет место двухмерно-слоевой рост GaAs на GaP, а повышение температуры до 550°С - 600°С приводит к формированию на поверхности GaP трехмерных самоорганизованных островков. При температуре 550±10°С для формирования островков достаточно 2-х монослоёв GaAs, а при повышении температуры до 600±10°С, количество высаженного материала, необходимого для формирования островков увеличивается до 3-х монослоёв. На полученных методом ПЭМ планарных изображениях гетероструктур (см. рис.1) в хорошем соответствии с полученными методом ДБЭО данными

Рис. 1. Пленарные (100) изображения ОаАз/ОаР гетероструктур, выращенных при температуре Г5 (а) 420°С, (б) 550° и (в) 600°С, полученные методом ПЭМ.

видно, что при 75 = 420±10°С ОаАэ растёт на ОаР поверхности в двухмерно-слоевом режиме, а при температурах 550-600°С происходит переход к росту трёхмерных самоорганизованных островков. С повышением температуры от 550±10°С до 600±10°С средний латеральный размер островка возрастает от 20 нм до 92 нм, а дисперсия латеральных размеров и плотность уменьшается, соответственно, от 70% до 45% среднего размера и от 2-1010 см"2 до 2-Ю9 см"2. Планарное ПЭМ изображение КТ в гетероструктуре, выращенной при = 550±10°С характеризуется муаром с периодом 4 нм. Анализ периода муара показал, что материал КТ имеет постоянную решётки 0.564 нм, равную постоянной решётки ненапряжённого ваЛв. Таким образом, КТ в этой гетероструктуре состоят из ОаАэ, а механические напряжения в них полностью релаксировали. В тоже время, КТ в гетероструктуре выращенной при Гэ = 600±10°С псевдоморфно напряжены, что это следует из отсутствия муара на планарном ПЭМ изображении. Энергетическое положение полосы, обусловленной рассеянием на ОаАз-подобном Ш фононе в спектре КРС гетероструктуры, выращенной при 7$ = 600±10°С, соответствует КТ, состоящим из твёрдого раствора GaAs0.68iO.05P0.32i0.05-

Температурная зависимость строения Оа(Аз,Р)ЛЗаР гетероструктур, полученных при осаждении на подложку ваР 3-х монолоев ОаАэ, описывается следующей качественной моделью: Формирование островков возможно только по достижению некоторого критического значения упругой энергии, запасённой в растущем слое. Величина упругой энергии определяется рассогласованием параметров решёток осаждаемого материала и материала подложки, а также толщиной растущего напряжённого слоя, т.е., количеством адатомов, которые могут собраться в данном месте ростовой поверхности. Формирование островка начинается при достижении напряжённым слоем некоторой критического толщины. Количество адатомов собирающихся в данном месте ростовой поверхности зависит от длины их поверхностной диффузии (1о), которая возрастает с увеличением температуры эпитаксии [С6]. При низкой Тэ (420°С) ¿о мала, поэтому

/

осаждения 3 монослоев ваАэ недостаточно для формирования КТ и наблюдается двухмерно-слоевой рост ОаАэ. Увеличение ¿о при повышении способствует уменьшению количества материала, необходимого для формирования островков, поэтому при = 550±10"С островки формируются уже при осаждении 2-х монослоёв ваАз. Дальнейшее осаждение ОаЛБ при этой температуре ведёт к увеличению размера островков и росту напряжёний в них [С6]. По достижению критического уровня напряжения релаксируют за счет образования дислокаций несоответствия [С7]. КТ, сформированные при < 550°С состоят из ваДз. Однако дальнейшее повышение температуры приводит не только к росту ¿о (о чем свидетельствует возрастание латерального размера и снижение плотности островков), но и к перемешиванию материала матрицы и ваЛв. В результате, островки, полученные при высокой температуре = 600±10°С, состоят из твёрдого раствора ОаАэР. Перемешивание материалов ведёт к уменьшению рассогласования параметров решётки материалов КТ и матрицы, поэтому количество осаждённого СаАэ, необходимое для начала формирования островков, возрастает до 3-х монослоёв [С8]. В то же время перемешивание уменьшает механические напряжения в КТ до значений, лежащих ниже порога введения дислокаций несоответствия, приводя к формированию псевдоморфно напряжённых КТ.

Параграф 3.2 посвящен изучению строения гетероструктур, сформированных методом МЛЭ в системе ОаЗЬЛЗаР. Из полученных методом ПЭМ планарных изображений и поперечных сечений выращенных гетероструктур видно, что, осаждение на ваР подложку ориентации (001) слоя СаБЬ с толщиной, эквивалентной 1-2-м монослоям вещества при 1\ в диапазоне 420+470°С приводит к формированию самоорганизованных островков. Анализ микроскопических изображений показывает, что, несмотря на значительное рассогласование параметров решеток ОаЯЬ и ваР (10.5% [С9]), в гетероструктурах Оа.ЯЬ/ОаР формируются массивы псевдоморфно напряженных КТ с характерными латеральными размерами -80+100 нм и плотностью < 108 см"2, в основании которых лежит смачивающий слой. Отсутствие дислокаций несоответствия для КТ в гетеросистеме с большим рассогласованием постоянных решетки свидетельствуют о том, что механические напряжения в КТ ниже порога введения дислокаций. Т.е. КТ состоят из твердого раствора GaSbi.jP,; из-за перемешивания ваБЬ и СаР. Сдвиг полосы ФЛ в высокоэнергетическую область спектра в гетероструктурах с КТ, выращенных при более высокой температуре (см. рис. 7), при близких размерах КТ указывает на увеличение доли ваР в составе твердого раствора. Связь между атомами ва и Р значительно сильнее, чем между атомами Оа и БЬ [СЮ], поэтому в гетеросистеме ОаБЬ/ОаР объёмный механизм перемешивания материалов подавлен и основным механизмом перемешивания является поверхностная диффузия. Для ограничения поверхностной диффузии адатомов была приготовлена ростовая поверхность СаР с развитым рельефом.

Поверхность, с характерным латеральным размером террас, ограничивающих поверхностную диффузию адатомов, - 100 нм, получалась при выращивании методом МЛЭ слоя ваР толщиной 1.25 мкм на несогласованной подложке ОаЛэ (001) [А7]. Осаждение слоя ОаБЬ с толщиной, эквивалентной 1-му монослою вещества при Т% = 450±10°С на ростовую поверхность ОаР с развитым рельефом приводило к формированию массива КТ с плотностью -2109 см"2 (более, чем на порядок величины превышающей плотность КТ, полученных в тех же условиях на гладкой поверхности ОаР) и характерными размерами - 15^-60 нм. Планарное ПЭМ изображение КТ характеризуется муаром с периодом 1.9 нм, соответствующим постоянной решётки 0.609 нм (равной постоянной решётки ненапряжённого Оа5Ь) Следовательно, сформированные на ростовой поверхности ваР с развитым рельефом, КТ состоят из Са5Ь, а механические напряжения в них полностью релаксировали. Таким образом, ограничение поверхностной диффузию адатомов действительно подавляет перемешивание ваБЬ и ОаР.

В параграфе 3.3 обсуждаются механизм релаксации механических напряжений в КТ Са5Ь/СаР и ваАз/СаР. Релаксация механических напряжений в гетероструктурах с КТ происходит за счет введения дислокаций несоответствия (прорастающих и/или краевых) [СИ]. Анализ темнопольных ПЭМ-изображений структур с резтаксированными ОаБЬЛЗаР КТ показал, что релаксация механических напряжений произошла за счёт введения сетки краевых ломеровских дислокаций, залегающих в направлениях [оп] и [ОН] в плоскости гетерограницы КТ/матрица [СИ]. Вычисленная по периоду следования дислокаций пластическая деформация равна 0.1055 и практически совпадает с величиной рассогласования ОаБЬ и ОаР по параметру решётки [С9]. Следовательно, механические напряжения полностью релаксировали за счёт введения сетки ломеровских дислокаций. В ваАз/СаР КТ полная релаксация механических напряжений идет по тому же механизму.

Считается, что ввод дислокаций несоответствия, сопровождающий релаксацию механических напряжений в КТ, приводит к сильному возрастанию темпа безызлучательной рекомбинации в КТ [С12]. Однако интегральные интенсивности стационарной ФЛ гетеросгруктур с КТ ОаАз/ОаР и ОаБЬ/ОаР, механические напряжения в которых полностью релаксировали за счет введения сетки дислокаций, и не содержащих дислокаций тестовых ОаР/ОаР структур близки, т.е. ввод дислокаций при релаксации напряжений не привёл к значительному возрастанию темпа безызлучательной рекомбинации. Это может быть связано с тем, что ядро ломеровской дислокации (как это было показано для 81, Ое и соединений АЗ-В5 со структурой сфалерита [С13]) не содержит «оборванных» атомных связей, являющихся центрами безызлучательной рекомбинации.

„йаЗЬЛЗз^' 300 лт

■

Опт !

10° 101 ю2

1, мкс

Рис.2. Спектры стационарной ФЛ гетероетруктур с КТ с полной релаксацией механических напряжений, измеренные при различных плотностях мощности возбуждения: (а) ОаА:;/ОаР КТ, Рех снизу вверх

0.17-25 Вт/см2, (б) СаБЬ/БаР

КТ, снизу вверх 0 45-30 Вт/см2, (в) Кинетика затухания ФЛ гетероетруктур с СтаЛ:.(:аР и ОаЗЬ/ОаР КТ, измеренная на длинах волн, соответствующих максимуму полос ФЛ.

В четвёртой главе представлены результаты анализа энергетического спектра гетероетруктур Са(Лз,Р)/СаР и Са(8Ь,Р)/СаР. Определению энергетического спектра ОаЛБ/СаР и ОайЬ/'ОаР КТ с полной релаксацией механических напряжений посвящен параграф 4.1. Для определения рода энергетического спектра КТ использовалось описанная во второй главе методика измерения интенсивностной зависимости положения максимума полосы экситонной ФЛ. Спектры стационарной ФЛ гетероетруктур с КТ ОаЛз/ОаР и ОаЭЬ/СаР, измеренные при различных плотностях мощности возбуждения, приведены на рис. 2 (а) и (б), соответственно.

Положения полос в спектрах ФЛ практически не изменяется при повышении плотности мощности возбуждения на 2 порядка величины, что свидетельствует о первом роде

(а) Энергия, эВ 2.03 1.96 1.89

620 640 X, нм

660

750 780 810 X, нм

3.0

2.5

т 2.0

о

к

1.5

(1

а> X 1.0

О

0.5

0.0

И И

г*=\

3.0

2.5

т 2.0

га

оГ

1.5

а.

01 X 1.0

О

0.5

0.0

- L

X

ЬН :

СаАэЛЗаР

СаЭЬЛЗаР

Рис. 3. Результаты расчёта зонных диаграмм гетероетруктур ОаА^'СаР и ОаЗЬ'СаР с полной релаксацией механических напряжений. Стрелкой отмечены состояния, участвующие в излучательных переходах.

энергетического спектра КТ. Несмотря на первый род энергетического спектра полностью релаксированные СаА5/СаР и вавЬ/ваР КТ демонстрируют длительную кинетику ФЛ, как видно на рис. 2 (в). ФЛ наблюдается даже спустя время порядка 100 мкс после импульса возбуждения, что значительно дольше, чем время жизни экситона в прямозонных гегероструктурах первого рода (таких как (1п,Са)АзЛЗаАз), которое составляет порядка 1 не [С14]. Таким образом, носители заряда, из которых образованы экситоны в релаксированных КТ СаАз/СаР и ОаЗЬ/ОаР первого рода, разделены в пространстве квазиимпульсов. Действительно, квазиимпульс такого экситона, существенно больше, чем импульс фотона с равной энергией, поэтому закон сохранения квазиимпульса накладывает ограничения на скорость их излучательной рекомбинации. Таким образом, КТ ОаАзЛЗаР и ОаБЬЛЗаР с полной релаксацией механических напряжений имеют энергетический спеир первого рода с непрямой запрещенной зоной. Дырка в этих КТ, находится в Г долине валентной зоны, а электрон может находиться как в X, так ив/, долине зоны проводимости.

Для выяснения, того, какой боковой долине зоны проводимости принадлежит основное электронное в ОаАзЛЗаР и ОаБЬ/СаР КТ с полной релаксацией механических напряжений, были проведены расчёты энергетического спектра таких КТ. Результаты расчётов представлены на рис. 3. Энергетическая структура первого рода в таких КТ может реализоваться в случае, если основное электронное состояние будет принадлежать, либо Г долине, либо Ь долине зоны проводимости БаАз и ОаБЬ, соответственно. Следовательно, основное электронное состояние полученных полностью релаксированных СаАз/СтаР и ваЗЬ/ваР КТ принадлежит I, долине зоны проводимости. Как видно из рисунка 3, смещение уровней размерного квантования вследствие

(а) Энергия, эВ (6) Энергия, эВ

Рис. 4. Спе!стры стационарной ФЛ структур с псевдоморфно напряжёнными (а) СаАз/ОаР КЯ, Рех снизу вверх 0 014-25 Вт/см2; (б) ОаА^Р/ОаР КТ, /'ех снизу вверх 0.17-25 Вт/см2. На вставках приведены зависимости положения максимумов полос от

(а)

3.2 га 2.8 |2.4 &0.8 то.4 0.0

X, г

~ Х„

hh

(б)

3.2 ■8 2.8 | 2.4

g-o.8'

О 0.4 0.0

х, Г

------------ _

hh

Рис.5. Результаты расчёта структуры эпергетических зон псевдоморфпо папряжеппой КЯ GaAs/GaP, для значений VBO, эВ: (а) 0.343, (б) 0.470 и (в) 0.743.

изменения размеров КТ может привести к тому, что основным электронным состоянием КТ станет Г состояние. Расчёты показывают, что КТ с высотой больше 3 нм, имеют прямую запрещённую зону. Результаты, обсуждаемые в параграфе 4.1, изложены в [А1,А2,АЗ,А5,А10,А11].

Параграф 4.2 посвящен определению энергетического спектра псевдоморфно напряжённых Ga(As,P)/GaP и Ga(Sb,P)/GaP гетероструктур. В параграфе 4.2.1. рассматриваются спектры стационарной ФЛ гетероструктур с Ga(As,P)/GaP КЯ и КТ, измеренные при различных плотностях мощности возбуждения, приведенные на рис. 4 (а) и (б), соответственно. С повышением Рех, связанные с рекомбинацией экситонов, полосы ФЛ смещаются в высокоэнергетическую область спектра пропорционально корню кубическому от Рех (см. вставки на рис. 4). Следовательно, псевдоморфно напряжённые КЯ и КТ Ga(As,P)/GaP имеют энергетический спектр второго рода, с основным состоянием электрона, принадлежащим X долине зоны проводимости GaP.

Результаты расчета энергетического спектра псевдоморфно напряжённых КЯ и КТ Ga(As,P)/GaP приведены в параграфе 4.2.2. КЯ GaAs/GaP, в соответствии с полученными в главе 3, данными об её структуре, задавалась как псевдоморфно напряжённый слой GaAs с резкими границами. При расчете зонной структуры использовались параметры GaAs и GaP, приведённые в [С9]. Литературные данные для значения разрыва валентных зон (VBO) на гетерогранице GaAs/GaP (здесь и далее под VBO понимается усреднённое значение разрыва зон тяжёлых, лёгких и спин-отщеплённых дырок) лежат в диапазоне 0.343 — 0.743 эВ [С9,С15-С18], поэтому расчеты энергетического спектра GaAs/GaP КЯ проводились для различных значений этого параметра. Результаты расчётов приведены на рис. 5.

В зависимости от значения VBO расчеты предсказывают КЯ с энергетический спектром первого рода (для VBO < 0.470 эВ) и второго рода (VBO > 0.470 эВ). Сравнение рассчитанной при различных значениях VBO энергии оптического перехода с положением полосы в спектре ФЛ псевдоморфно напряжённой GaAs/GaP КЯ позволило оценить значение VBO на гетерогранице

(а)

2.8

ш

га 2.6

о. 2.4

0)

О

0.3

0.0

баАз^Р^СаР КГ

ИИ

-/7.87 эВ

I

(б) СаАэ, .Р.ЛЗаР КТ 2.40

т

« 2.35

I 2.30=

о

т 0.4

о.о

1.87 эВ

о.зг4*«*^.

(В)

Ч 10е

о

о ¿10 в

2 о.

5 К

I СаАэ КЯ

ГМЦи

ваАзР а Г

КТ

| ^

0.0 0.3 0.6 0.9 Доля ваР в ваАз, ЛРХ

10° 10' I, МКС

10'

Рис. 6. (а) Результаты расчёта структуры энергетических зоп псевдоморфно напряженных GaAso.68P0.32/GaP КТ. (б) Структура энергетических зон псевдоморфно напряжённых 0:1.-^1' О:;!' КТ с учетом размерного квапговапия тяжелых дырок в зависимости от состава твёрдого раствора, (в) Кинетика затухания ФЛ псевдоморфпо папряжённых СаАз/СаР КЯ и GaAso.MPo.32/GaP КТ.

СаАз/ваР, равное 0.49 эВ. Полученное значение УВО было использовано для расчётов структуры энергетических зон псевдоморфно напряжённых КТ ОаАзРЛЗаР. Для расчета форма КТ задавалась в виде псевдоморфно напряжённого полуэллипсоида вращения, состоящего из твердого раствора СаАзР. Размеры КТ были взяты из полученных методом ПЭМ планарных изображений и поперечных сечений. Параметры твёрдого раствора СаАэР определялись как линейная комбинация параметров ОаАэ и ваР, приведенных в [С9]. Изменения величины УВО на гетерогранице СаАвРЛЗаР учитывалось в линейном приближении.

Строение энергетических зон псевдоморфно напряженных GaAso.6sPo.32/GaP КТ представлено на рис. 6 (а). В отличие от КЯ, где деформации полностью локализованы в слое БаАз, в случае КТ деформированными оказываются также и близлежащие области ваР матрицы. Деформации СаР имеют противоположный знак, по отношению к деформациям в КТ, что приводит к уменьшению энергии электронов, находящихся в Хг подзоне X долины зоны проводимости ОаР. Энергетический спектр ОаАзРЛЗаР КТ, рассчитанный в зависимости от состава твёрдого раствора ОаАзкхР*, показан на рис. 6 (б). С увеличением доли СаР в материале КТ - х от 0 до 1 энергетические зоны ваАвР стремятся к положению зон в ненапряжённом ваР, однако, для любого х имеет место энергетический спектр второго рода с основным электронным состоянием в Хг долине зоны проводимости ваР. Принадлежность электрона Хг долине зоны проводимости ваР приводит к ускорению динамики экситонной ФЛ в гетероструктурах с КТ ОаЛзР/ОаР, по сравнению с таковой в гетероструктурах с КЯ ОаАзЛЗаР, как это показано на рисунке 6 (в). Это ускорение обусловлено тем, что вероятность рассеяния перпендикулярного гетерогранице квазиимпульса Хг электрона в гетероструктурах с КТ ОаАзР/ваР значительно

(а) Энергия, эВ

1.8 1.6 1.4

1.2

700 800 900 нм

Энергия, эВ 2 1.8 1.1

560

630 700 X, нм

770

Рис. 7. Спектры стационарной ФЛ структур с псевдоморфно напряжёнными С СаР КТ, измеренные при температуре 5 К. Для структуры, выращенной при Та = 420°С (а) «Г| = 470°С (б). снизу вверх 0.06-53.4 мВт/см2. На вставках приведены зависимости положения максимумов полос от

10"

больше, чем вероятность рассеяния параллельного гетерогранице квазиимпульса у электронов Хху в гетероструктурах с КЯ ОаЛя/ОаР [С 19].

Спектры стационарной ФЛ гетероструктур с псевдоморфно напряжёнными КТ Оа(5Ь,Р)/СаР, измеренные при различных плотностях мощности возбуждения (см. рис.7 (а) и (б) для структур, выращенных при Т$ = 420±10°С и 470±10°С, соответственно) анализируются в параграфе 4.2.3. В спектрах ФЛ гетероструктур, выращенных при = 420±10°С наблюдается

полоса, обусловленная рекомбинацией экситонов в КТ, а в спектрах гетероструктур, выращенных при 7$ = 470±10°С, в дополнение к этой полосе появляется высокоэнергетическая полоса (СС), связанная с рекомбинацией экситонов в смачивающем слое. Появление полосы СС связано с уменьшением концентрации

локализованных в смачивающем слое дефектов - центров безызлучательной рекомбинации при повышении температуры роста гетероструктур, подобно тому, как это наблюдалось в непрямозонньтх гетероструктурах

о

С" 10

е

о. 1П-:

О 10 X

V

5 К

575 пт

300 600 1, МКС

900

Рис. 8. Кинетика затухания ФЛ СС, в гетероструктуре с КТ Оа(5Ь,Р)/СаР измеренная на длине волны, соответствующей максимуму полосы ФЛ.

первого рода 1пАз/А!Аз [СЗ,С20]. Действительно, интегральная интенсивность ФЛ Са(ЗЬ,Р)ЛЗаР гетероструктур, выращенных при Гб = 470±10°С, на два порядка величины больше, чем гетероструктур, выращенных при = 420±10°С.

Сдвиг полос ФЛ КТ в высокоэнергетическую область спектра, пропорциональный корню кубическому от Рех (см. вставки в рис. 7), свидетельствует о втором роде энергетического спектра псевдоморфно напряжённых КТ Са(5Ь,Р)/СаР [С4,С5]. Полоса ФЛ СС, напротив, практически не смещается при изменении Рех почти на 4 порядка величины и демонстрирует длительное затухание ФЛ (вплоть до сотен микросекунд) после импульса возбуждения (см. рис. 8). Таким образом, смачивающий слой, представляющий собой квантовую яму, имеет энергетический спектр первого рода с непрямой запрещенной зоной.

Результаты расчета энергетического спектра псевдоморфно напряжённых КЯ и КТ ва(5Ь,Р)/СаР приведены в параграфе 4.2.4. СаЗЬР/ваР КЯ задавалась как псевдоморфно напряжённый слой, а КТ моделировалась в виде псевдоморфно напряжённого полуэллипсоида вращения, состоящего из твердого раствора СаБЬР. Информация о толщине КЯ (1 нм) и размерах КТ бралась из полученных методом ПЭМ планарных изображений и поперечных сечений гетероструктур. Параметры твёрдого раствора ва5ЬР определялись как линейная комбинация параметров ваЭЬ и ОаР, приведенных в [С9]. Энергетические спектры, рассчитанные для псевдоморфно напряжённых КЯ и КТ, состоящих из твердого раствора GaSbi.jP, различного состава х, приведены на рис. 9 (а) и (б), соответственно. Видно, что для любых значений состава твердого раствора х КЯ имеют энергетический спектр первого рода с основным электронным состоянием, принадлежащим Хху долине зоны проводимости, а дырочным — зоне тяжёлых дырок

(а)

2.5 2.0

-1.5

8-1-0 х О

0.5 0.0

баБЬ, Р/ваРКЯ

1-Х X

ч X

\ 2.14 эВ

\ \ х = 0.8

ИИ \ К

0.0 0.3 0.6 0.9 Доля ваР в ваБЬ, хРж

ваБЬ, РЛЗаР КТ

1-Х X

0.0 0.3 0.6 0.9 Доля ОаР в ОаБЬ, хРх

Рис. 9. Структура энергетических зон псевдоморфно папряжёплых (а) Оа.ЧЫ' ХЫ' КЯ и (б) (¡<:ЯЬР СЫ' КТ в зависимости от состава твёрдого раствора.

ОаЭЬР. В случае КТ расщепление состояний Л-долины зоны проводимости ОаЭЬР также приводит к формированию мелкой потенциальной ямы для электронов находящихся в Лху подзоне. Однако из-за деформации прилегающего к КТ слоя ОаР основным электронным состоянием при любых значениях состава твёрдого раствора становится Хх подзона зоны проводимости ОаР, как это показано на рис. 9 (б).

Сравнение энергетических положений полос в спектрах ФЛ (показаны вертикальными стрелками на рис. 9), с рассчитанными энергиями оптических переходов, позволило оценить значения х состава твердых растворов, из которых состоят псевдоморфно напряжённые Оа(5Ь,Р)ЛЗаР КЯ и КТ. Смачивающий слой состоит из твердого раствора ОаЗЬогРоя. Доля СаР - х в составе твердого раствора (ЗаЗЬ^Р*, из которого состоят КТ возрастает сггх = 0.6 до х = 0.75, для гетероструктур, выращенных при Г5 = 420±10°С и Г5 = 470±10°С, соответственно. Результаты, обсуждаемые в параграфе 4.2, изложены в [А4,А6,А8,А9].

В заключении приводятся основные результаты и выводы работы:

1. Показано, что в зависимости от температуры эпитаксии осаждение 3-х монослоёв СаАэ на подложку ваР ориентации (001) позволяет формировать гетероструктуры с: (¡) псевдоморфно напряженными КЯ, состоящими из ОаАэ, при = 420±10 С; (и) ОаАэ/ОаР КТ с полной релаксацией механических напряжений при 7'5 = 550±10°С и (ш) псевдоморфно напряженными КТ, состоящими из твердого раствора GaAso.68i0 05Po.32iO.o5, при Гв = 600±10°С.

2. Обнаружено, что, несмотря на значительное рассогласование параметров решеток ваБЬ и ваР (10,5%), в гетеросгруктурах ОайЬ/ОаР, выращенных на подложках ОаР ориентации (001) в диапазоне температур = 420°С^470"С формируются массивы псевдоморфно напряженных КТ ОаЗЬ^Р* (с х>0,в), расположенные на смачивающем слое, представляющем собой тонкую КЯ.

3. Установлено, что в гетероструктурах ОаБЬ/ОаР, выращенных при температуре 7$ = 450±10°С на подложках ОаР ориентации (001) с развитым рельефом, ограничивающим диффузию адатомов расстояниями — 100 нм, формируются Оа5Ь/ОаР КТ с полной релаксацией механических напряжений.

4. Показано, что полная релаксация механических напряжёний в КТ состоящих из ОаАз и ОаБЬ в матрице ОаР идёт за счёт ведения сетки ломеровских дислокаций и не приводит к возрастанию темпа безызлучательной рекомбинации экситонов в КТ.

5. Показано, что полученные ОаА5/СаР и ОаБЬ/ОаР КТ с полной релаксацией механических напряжений обладают энергетическим спектром первого рода с основным электронным состоянием, принадлежащим Ь долине зоны проводимости. Увеличение размеров КТ может

привести к тому, что основным электронным состоянием в КТ становится состояние, принадлежащее Г долине зоны проводимости.

6. Установлено, что псевдоморфно напряженная КЯ GaAs/GaP имеет энергетическую структуру второго рода с основным электронным состоянием, принадлежащим X долине зоны проводимости GaP.

7. Показано, что состоящие из твердого раствора GaAsi-Л псевдоморфно напряжённые КТ в матрице GaP, при любом составе твердого раствора 0 < х < 1 имеют энергетический спектр второго рода с основным электронным состоянием, принадлежащим Xz долине зоны проводимости GaP.

8. Показано, что состоящая из твердого раствора GaSbi.rPx псевдоморфно напряжённая КЯ в матрице GaP при любом составе твердого раствора 0 < х < 1 имеет энергетический спектр первого рода с основным электронным состоянием, принадлежащим Хху долине зоны проводимости.

9. Показано, что состоящие из твердого раствора GaSbi-xP, псевдоморфно напряжённые КТ в матрице GaP, при любом составе твердого раствора 0 < х < 1 имеют энергетический спектр второго рода с основным электронным состоянием, принадлежащим Xz долине зоны проводимости GaP.

Основные результаты диссертационной работы изложены в публикациях:

Al. Shamirzaev Т. S. High quality relaxed GaAs quantum dots in GaP matrix / T. S. Shamirzaev, D. S. Abramkin, A. K. Gutakovskii, M. A. Putyato // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 97,N.2. -P. 023108-1-3.

A2. Абрамкин Д.С. Новая система GaAs квантовых точек в матрице GaP / Д. С. Абрамкин, А. К. Гутаковский, М. А. Путято, В. В. Преображенский, Т. С. Шамирзаев // Известия вузов Физика. - 2011. - Т. 54,№2/2. - С. 18-21.

A3. Абрамкин Д.С. Новая система самоорганизованных квантовых точек GaSb/GaP / Д.С. Абрамкин, М. А. Путято, А. К. Гутаковский, Б. Р. Семягин, В. В. Преображенский, Т. С. Шамирзаев // Физика и техника полупроводников. — 2012. Т. 46,№12. - С. 1571-1575.

А4. Abramkin D. S. Atomic structure and energy spectrum of Ga(As,P)/GaP heterostructures / D. S. Abramkin, M. A. Putyato, S. A. Budennyy, A. K. Gutakovskii, B. R. Semyagin, V. V. Preobrazhenskii, O. F. Kolomys, V. V. Strelchuk, T. S. Shamirzaev // J. Appl. Phys- 2012. -Vol. 112,N8. - P.083713—1—10.

A5. Абрамкин ДС. Новая система GaAs квантовых точек в матрице GaP / Д С. Абрамкин, А. К Гутаковский, М. А. Путято, В. В. Преображенский, Т. С. Шамирзаев // Труды XII

Мевдународной школы-семинара по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2010 (Хужир, Россия, 26-31 июля 2010). С.23-25. А6. Abramkin D. S. Energy structure of novel GaSb/GaP quantum dots system / D. S. Abramkin, M. A. Putyato, T. S. Shamirzaev // Proceedings of 19th International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology, (Ekaterinburg, Russia, June 20-25,2011). - P. 173-174. A7. Шамирзаев T.C. / Высококачественные однородно релаксированные слои GaP выращенные на несогласованных подложках GaAs методом МЛЭ // Т. С. Шамирзаев, Д. С. Абрамкин, А. К. Гутаковский, М. А. Путято, А. Б. Талочкин, В. В. Преображенский // Труды Российской конференции и школы по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника-2011» (Новосибирск, Россия, 22-26 августа 2011). С. 9596.

А8. Abramkin D. S. Novel system of GaSb/GaP quantum dots grown on mismatched GaAs substrate / D. S. Abramkin, M. A. Putyato, T. S. Shamirzaev // Proceedings of Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials (Vladivostok, Russia, 21-28 August,

2011). - P. 95-96.

A9. Абрамкин Д.С. Атомное и энергетическое строение GaAs/GaP гетероструктур / Д. С. Абрамкин, Т. С. Шамирзаев // Труды XIII Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 21-25 ноября 2011). С. 21. А10. Абрамкин Д.С. Новая система квантовых точек GaSb/GaP / Д. С. Абрамкин, М. А. Путято,

B. В. Преображенский, А. К. Гутаковский, Т. С. Шамирзаев // Труды XVI международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 12-16 марта,

2012). Т. 2. С. 432-433.

А11. Абрамкин Д.С. Атомная структура и люминесцентные свойства GaSb/GaP квантовых точек / Д. С. Абрамкин, М. А. Путято, А. К. Гутаковский, Б. Р. Семягин, В. В. Преображенский, Т.

C. Шамирзаев // Труды XIII Международной школы-семинара по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2012 (Иркутск, Бухта «Песчаная», Россия, 16-22 июля 2012). С. 2425.

А12. Абрамкин Д.С. Фотолюминесценция полупроводниковых гетероструктур, сформированных в матрице GaP / Д. С. Абрамкин, М. А. Путято, Б. Р. Семягин, В. В. Преображенский, Т. С. Шамирзаев // Труды XIII Международной школы-семинара по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2012 (Иркутск, Бухта «Песчаная», Россия, 16-22 июля 2012). С. 27-28.

Список цитируемой литературы

С1. Шамирзаев Т.С. Полупроводниковые гетероструктуры первого рода с непрямой зоной

проводимости// Физика и техника полупроводников. -2011. -Т.45,№1. - С. 97-103. С2. Pistol М.-Е. Band structure of segmented semiconductor nanowires / M.-E. Pistol, С. E. Pryor. //

Phys. Rev. B. - 2009. - Vol.80 - P.035316-035330. C3. Shamirzaev T.S. Energy spectrum and structure of thin pseudomorphic InAs quantum wells in an AlAs matrix: Photoluminescence spectra and band-structure calculations / T.S. Shamirzaev, A. M. Gilinsky, A. K. Kalagin, A. V. Nenashev, K.S. Zhuravlev // Phys. Rev. B. -2007.-Vol. 76.-P. 155309-1-9. C4. Ledentsov N. N. Radiative states in type-II GaSb/GaAs quantum wells / N. N. Ledentsov, J. Bohrer, M. Beer, F. Heinrichsdorff, M. Grundmann, D. Bimberg, S. V. Ivanov, B. Ya. Meltser, S. V. Shaposhnikov, I. N. Yassievich, N. N. Faleev, P. S. Kop'ev, Zh. I. Alferov // Phys. Rev. B. -1995.-Vol. 52.-P. 14058-14066. C5. Hatami F. Radiative recombination in type-II GaSb/GaAs quantum dots / F. Hatami, N. N. Ledentsov, M. Grundmann, J. Bohrer, F. Heinrichsdorff, M. Beer, D. Bimberg, S. S. Ruvimov, P. Werner, U. Gosele, J. Heydenreich, U. Richter, S. V. Ivanov, B. Ya. Meltser, P. S. Kop'ev, Zh. I. Alferov // Appl. Phys. Lett. - 1995. - Vol. 67. - P. 656-658. C6. Dubrovskii V. G. Kinetics of the initial stage of coherent island formation in heteroepitaxial systems / V. G. Dubrovskii, G. E. Cirlin, V. M. Ustinov // Phys. Rev. B. - 2003. - Vol. 68. - P. 075409-1-9.

CI. LeGoues F.K. Relaxation mechanism of Ge islands/Si(001) at low temperature / F.K. LeGoues, J. Tersoff, M. C. Reuter, M. Hammar, R. Tromp // Appl. Phys. Lett. - 1995.-Vol. 67.N. 16. -P. 2317-2319.

C8. Snyder C.W. Kinetically controlled critical thickness for coherent islanding and thick highly strained psendomorphic films of InxGal-xAs on GaAs( 100) / C.W. Snyder, J.F. Mansfield, B.G. Orr // Phys. Rev. B. - 1992. - Vol. 46. - P. 9551-9554. C9. Vurgaftman I. Band parameters for Ш-V compound semiconductors and their alloys / I.

Vurgaftman, J. R. Meyer, L. R. Ram-Mohan // J. Appl. Phys. - 2001. - Vol. 89. - P. 5815-5875. C10. Harrison W. A. Electronic Structure and Properties of Solids / W. A. Harrison. San Francisco: W.

H. Freeman, 1980. - 838 p. CI 1. Ван дер Мерве Дж. X. Несоответствие кристаллических решеток и силы связи на поверхности раздела между ориентированными пленками и подложками. // В кн.: Монокристаллические пленки. М.: Мир, 1966, с. 172-201.

C12. Lang D. V. Nonradiative Recombination at Deep Levels in GaAs and GaP by Lattice-Relaxation Multiphonon Emission / D. V. Lang, C. H. Henry // Phys. Rev. Lett. - 1975. - Vol. 35. - P. 15251528.

C13. Vila A. Atomic core structure of lomer dislocation at GaAs(001)/Si interface / A. Vila, A. Cornet, J. R. Morante, P. Ruterana, M. Loubradou, R. Bonnet, Y. Gonzalez, L. Gonzalez // Philosophical magazine. A: Physics of condensed matter. Defects and mechanical properties. - 1995. - Vol. 71. -P. 85-103.

C14. Tomm J. W. Transient luminescence of dense InAs/GaAs quantum dot arrays / J. W. Tomm, T. Elsaesser, Yu. I. Mazur, H. Kissel, G. G. Tarasov, Z. Ya. Zhuchenko, W. T. Masselink // Phys. Rev. B. - 2003. - Vol. 67. - P. 045326-045333. C15. Gourley P. L. Quantum size effects in GaAs/GaAsxPl-x strained layer superlattices / P. L.

Gourley, R. M. Biefeld // Appl. Phys. Lett. - 1984. - Vol. 45,N.7. - P.749-751. C16. Recio M. Optical properties of GaAs/GaP strained-layer superlattice / M. Recio, G. Armelles, J.

Melendez, F. Briones // J. Appl. Phys. - 1989. - Vol. 67.№4 - P. 2044-2050. CI7. Katnani A. D. Microscopic study of semiconductor heterojunctions: Photoemission measurement of the valance-band discontinuity and of the potential barriers / A. D. Katnani, G. Margaritondo // Phys. Rev. B. - 1983. - Vol. 28. - P. 1944-1956. CI8. Davis M. E. GaAs-GaP Heterojunctions M. E. Davis, G. Zeidenbergs, R. L. Anderson // Phys.

Status Solidi. - 1969. - Vol. 34. - P. 385-393. C19. Braginsky L. S. Kinetics of exciton photoluminescence in type-II semiconductor superlattices / L. S. Braginsky, M. Yu. Zaharov, A. M. Gilinsky, V. V. Preobrazhenskii, M.A. Putyato, K. S. Zhuravlev//Phys. Rev. B. -2001,-Vol. 63.-P. 195305-1-10. C20. Shamirzaev T. S. Carrier dynamics in InAs/AlAs quantum dots: lack in carrier transfer from wetting layer to quantum dots / T. S. Shamirzaev, D. S. Abramkin, A. V. Nenashev, K. S. Zhuravlev, F F. Trojanek, B. Dzur ak, P. Maly // Nanotechnology. - 2010. - Vol. 21. - P. 1557031-7.

Подписано в печать 15.01.2013 г. Печать цифровая. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2 Тираж 100 экз. Заказ № 136.

Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1, оф. 104 Тел. (383)217-43-46, 8-913-922-19-07

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Полупроводниковые гетероструктуры.

1.1. Энергетический спектр полупроводниковых гетероструктур.

1.2. Полупроводниковые гетероструктуры первого рода с непрямой запрещённой зоной.

1.3. Гетероструктуры ОаАз/ОаР и ОаБЬ/ОаР.

1.4. Результаты и выводы к первой главе.

ГЛАВА 2. Методические вопросы исследования.

2.1. Методы получения гетероструктур ОаАв/ОаР и ОаБЬ/ОаР.

2.2. Методы исследования строения гетероструктур.

2.3. Методы исследования энергетического спектра.

2.4. Методика расчёта энергетического спектра.

ГЛАВА 3. Структура квантовых ям и квантовых точек

СаАв/ОаР и ОаБЬ/ОаР.

3.1. Структура квантовых ям и квантовых точек СаАв/ОаР.

3.1.1. Экспериментальные результаты.

3.1.2. Обсуждение результатов.

3.2. Структура квантовых ям и квантовых точек

СаЭЬ/ОаР.

3.2.1. ОаБЬ/ОаР гетероструктуры, сформированные на подложках ОаР.

3.2.2. СаБЬ/ОаР гетероструктуры, полученные на ростовой поверхности с развитым рельефом.

3.3. Механизм релаксации напряжений в гетероструктурах с КТ СаАв/ОаР и ОаЗЬ/ОаР.

3.4. Результаты и выводы к третьей главе.

ГЛАВА 4. Энергетический спектр СаАв/СаР и GaSЪ/GaP гетероструктур.

4.1. Энергетический спектр СаАБ/ОаР и СаБЬ/ОаР квантовых точек с полной релаксацией механических напряжений.

4.2. Энергетический спектр псевдоморфно напряжённых Са(Аз,Р)/0аР и СаБЬР/ОаР гетероструктур.

4.2.1. Фотолюминесценция псевдоморфно напряжённых Са(Аз,Р)/0аР гетероструктур.

4.2.2. Расчёты энергетического спектра псевдоморфно напряжённых 0а(Аз,Р)/0аР КЯ и КТ.

4.2.3. Фотолюминесценция псевдоморфно напряжённых ОаЗЬР/ОаР гетероструктур.

4.2.4. Расчёты энергетического спектра псевдоморфно напряжённых ОаБЬР/ОаР КЯ и КТ.

4.3. Результаты и выводы к четвёртой главе.

Появление низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками (КТ) не только открыло возможности для создания новых полупроводниковых приборов, но и позволило проводить исследования новых физических явлений фундаментального характера [1,2] . К настоящему времени, наиболее исследованными гетероструктурами являются прямозонные СаАв/АЮаАз КЯ [3] и (Iп, С а) Аб/СаАэ КТ [4] первого рода (оба типа носителей заряда локализованы внутри КЯ и КТ) , а так же непрямозонные СаАз/А1Аэ КЯ [3,5] и Се(81)/31 КТ [5,6] второго рода (электроны и дырки разделены в реальном пространстве). Недавние теоретические расчеты обратили внимание исследователей на еще один, до сих пор экспериментально не исследовавшийся, тип полупроводниковых гетероструктур -КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной [7,8]. Гетероструктуры с таким типом энергетического спектра могут быть удобными объектами для анализа физических процессов, изучение которых в других типах полупроводниковых гетероструктур затруднено. Характерным примером такого процесса является спиновая релаксация экситонов в КТ [9-11] . Сильная локализация в КТ приводит к подавлению механизмов, определяющих переворот спина свободно двигающихся экситонов, таких как механизмы Эллиота-Яфета и Дьяконова-Переля, смещая характерные времена спиновой релаксации экситонов в миллисекундный диапазон времен. В прямозонных КТ времена релаксации спиновых состояний экситонов становятся на несколько порядков величины больше лежащих в наносекундном диапазоне времен жизни экситона. В тоже время, требования закона сохранения квазиимпульса приводит к увеличению времени жизни экситона в КТ первого рода с непрямой запрещённой зоной [12], делая эти объекты перспективными для экспериментального изучения процессов спиновой релаксации экситонов в нульмерных системах.

В соответствии с теоретическими расчетами гетероструктуры с КТ первого рода с непрямой запрещённой зоной могут быть сформированы на основе соединений АЗ-В5: ОаАэ и СаБЬ в матрице ОаР [7,8] . Между тем, строение и энергетический спектр гетероструктур с КЯ и самоорганизованными КТ, сформированных в гетеросистемах ОаАБ/ОаР и ОаЭЬ/ОаР, до сих пор экспериментально не изучались.

Целью работы являлось исследование энергетического спектра гетероструктур СаАв/ОаР и ОаБЬ/ОаР с КЯ и самоорганизованными КТ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение строения гетероструктур с самоорганизованными КТ СаАэ/СаР и ОаБЬ/ОаР: формы, размеров, механических напряжений и состава КТ, и структуры лежащего в основании массива КТ смачивающего слоя (СС), являющегося квантовой ямой.

2. Определение энергетического спектра КТ СаАэ/ОаР и ОаБЬ/ОаР и СС с учётом особенностей их строения.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе впервые исследован энергетический спектр гетероструктур, содержащих ОаАэ/ОаР и ОаЭЬ/ОаР КТ с полной релаксацией механических напряжений, псевдоморфно напряжённые ОаАэ/ОаР и ОаБЬР/ОаР КЯ и псевдоморфно напряжённые ОаАБР/ОаР и ОаБЬР/ОаР КТ.