Исследование A+ центров в двумерных структурах на основе GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

ПЕТРОВ Павел Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ А+ ЦЕНТРОВ В ДВУМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ НА

ОСНОВЕ ваАв

01.04.10 — физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург — 2006

На правах рукописи

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор Иванов Ю. Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Кочерешко Владимир Петрович

доктор физико-математических наук, профессор

Пихтин Александр Николаевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Защита состоится ЧР» 2006 в ^Гч. (¿0_ мин. на за-

седании диссертационного совета К 002.205.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук по адресу: 194021 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. Иоффе РАН.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан " -/<Г" сЛ- 2006.

Учёный секретарь диссертационного совета ¡¿у-л-млД— кандидат физико-математических наук Куликов Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы. А+ центром в полупроводниках называется комплекс образованный нейтральным акцептором и захваченной им дополнительной дыркой. На данный момент существуют две физические модели объясняющие механизм такого захвата. Первая из них основывается на аналогии с отрицательно заряженным ионом водорода Н~. Атом водорода в такой модели рассматривается как диполь, который притягивает дополнительный электрон электростатическим потенциалом диполя. Второй подход заключается в использовании модели потенциала нулевого радиуса. Как известно, в периодическом потенциале атомов кристаллической решётки носитель заряда находящийся в разрешённой зоне может двигаться свободно. Нейтральный атом примеси нарушает периодичность потенциала, что приводит к образованию узкой потенциальной ямы, обычно описываемой ¿-функцией.

Впервые на возможность существования в твёрдом теле О" центров, состоящих из электрона и нейтрального донора и подобных иону водорода Н~, и их аналога в полупроводниках р-типа — А+ центров, указал ЬатреМ /1/ в 1958 году. Н~-подобные центры в твёрдых телах сразу привлекли внимание исследователей в самых разных областях физики. Основными вопросами изначально были вопросы о самом существовании таких центров, о величине энергии связи и о размере волновой функции в различных материалах. Интерес к А+ и О- центрам в объемных полупроводниках был вызван в первую очередь тем, что такие дефекты играют принципиальную роль в процессах прыжковой проводимости по примесным зонам. Системы с Н~-подобными центрами при различных концентрациях нейтральной примеси стали объектом изучения теории неупорядоченных систем с потенциалами малого радиуса. Также Н~-подобные центры в полупроводниках привлекли значительное внимание как объекты моделирующие отрицательно заряженный ион водорода в различных условиях. В частности, в астрофизике, в области изучения природы нейтронных звёзд и звёзд типа "белый карлик", оказалось необходимым исследовать поведение иона Н~ в пределе сильного магнитного поля, когда циклотронная частота, делённая пополам, превы-

шает энергию связи атома водорода. В лабораторных условиях получить такое магнитное поле (> 105 Т) невозможно, однако для О- центров в полупроводниках, ввиду малости их энергии связи и малой эффективной массы электрона, предел сильного магнитного поля оказывается легко достижим ЮТ). С развитием технологии получения гетероструктур стала актуальной задача изучения А+ и О- центров в системах с размерным квантованием. Так, например, в работе /2/ было показано, что наличие заряженных примесных состояний оказывает существенное влияние на работу резонансного туннельного диода.

В отсутствие магнитного поля ион Н~ имеет одно синглетное состояние с энергией связи 0.055£щ /1/, где £Ъ = гп*е4/2Н2е2 — эффективный ридберг. В полупроводниках, по причине малости эффективной массы носителей заряда и большой диэлектрической постоянной, энергия связи А+ и О" центров в несколько тысяч раз меньше, чем энергия связи и она Н~. Поэтому исследования Н~-подобных центров в объёмных полупроводниках возможны только при низких температурах ~ 1 К, Впервые существование заряженных примесей экспериментально было показано в работе Гершензона и др. /3/ (1971). Энергия связи А+ и О" центров в германии и кремнии, измеренная в данной работе методом субмиллиметровой фотопроводимости, составила величину порядка 1-5 мэБ, в зависимости от материала и типа примеси. Несмотря на сложность экспериментов и то, что в объёмном материале состояния заряженных примесей неравновесны, исследования Н~-подобных центров непрерывно продолжаются на протяжении последних 30 лет. Для исследований применяются такие методики, как фононная спектроскопия, ма гнетнол юми не с денция, измерение проводимости в верхней зоне Хаббарда.

С развитием техники эпитаксиального роста стало возможным изготовление низкоразмерных структур содержащих -подобные заряженные примесные состояния. Исследование А+ и О* центров в двумерных структурах имеет сразу два преимущества. Во-первых, методом двойного селективного легирования, легируя одновременно и квантовую яму и барьеры, можно создавать равновесные заряженные состояния. Во-вторых, энергия связи локализованных состояний в двумерных структурах зна-

чительно возрастает, что позволяет изучать их при более высоких температурах.

О- центры в квантовых ямах к текущему моменту достаточно хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально. Между тем к началу работы над данной диссертацией была опубликована только одна статья посвящённая А+ центрам в двумерных структурах /4/. В этой работе, методом исследования низкотемпературной прыжковой проводимости квантовых ям содержащих А+ центры, была получена оценка для радиуса волновой функции дырки захваченной нейтральным акцептором (то ~ 8нм). Однако вопрос о других параметрах двумерных А+ центров оставался открытым.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось изучение свойств А+ центров в квантовых ямах.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Изучить возможность применения фотолюминесцентного метода для исследования А+ центров в квантовых ямах;

2. Исследовать экспериментально энергетическую структуру двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы;

3. С помощью метода измерения циркулярной поляризации фотолюминесценции исследовать экспериментально проявления тонкой, спиновой структуры А+ центра в магнитных полях;

4. Объяснить полученные экспериментальные результаты в рамках существующих теоретических моделей для А+ центра в квантовой яме.

Для решения поставленных задач использовался метод фотолюминесцентного анализа структур с А+ центрами, основанный на существовании механизма рекомбинации дырки, захваченной нейтральным акцептором, и свободного электрона. Исследовались спектры фотолюминесценции при различных интенсивностях накачки и температуре образца. Для получения данных о тонкой структуре А+ центра, анализировалась

степень циркулярной поляризации фотолюминесценции образцов помещённых в магнитное поле.

Научная новизна определяется следующими полученными в работе результатами:

1. В структурах, содержащих квантовые ямы ОаАэ/АЮаАв с двойным селективным легированием, обнаружена новая линия фотолюминесценции, соответствующая излучательной рекомбинации дырки основного состояния А+ центра и электрона со дна зоны проводимости.

2. Экспериментально измерена энергия связи двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы.

3. Обнаружено уменьшение степени циркулярной поляризации и интенсивности люминесценции в сильных магнитных полях обусловленное внутри центровыми диамагнитными эффектами.

4. Экспериментально обнаружено существование тонкой структуры А+ центра, состоящей из двух, основного и возбуждённого, состояний, и оценены параметры этой структуры.

Положения выносимые на защиту:

1. В квантовых ямах СаАз/АЮаАэ с двойным селективным легированием р-типа существует излучательный рекомбинационный процесс, обусловленный переходом свободного электрона на А+ центр,

2. В спектре фотолюминесценции структур, содержащих равновесные А+ центры, доминируют две линии: линия изл уча тел ь но го перехода электрона со дна зоны проводимости на основной уровень А+ центра и линия рекомбинации экситона связанного на нейтральном акцепторе.

3. Энергетическая структура А+ центра в квантовой яме состоит из двух уровней — основного, со спином 3/2, и возбуждённого, со спином 1/2.

4. В сильных магнитных полях происходит пересечение уровней со спинами 3/2 и 1/2 таким образом, что уровень со спином 1/2 становится основным.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ им. Иоффе РАН, а также на следующих конференциях:

1. 26th International Conference: Physics of Semiconductors, 2002 Edinburg;

2. Ilth International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2003 St.Petersburg;

3. 12th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2004 St.Petersburg;

4. 27th International Conference on the Physics of Semiconductors — ICPS-27, 2004 Arizona.

5. 14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2006 St.Petersburg;

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах (в том числе 5 в научных журналах и 5 в материалах конференций).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, представлены положения, выносимые на защиту и описана структура диссертации.

Первая глава содержит обзор основных публикаций по теме диссертационной работы. В первом параграфе рассмотрены экспериментальные

работы в которых впервые было показано существование в полупроводниках заряженных примесных центров, подобных отрицательно заряженному иону водорода Н~. Во втором параграфе излагаются результаты исследований Н~-подобных центров в полярных полупроводниках. В третьем параграфе обзора описаны исследования О- центров в двумерных структурах. Четвёртый параграф посвящён исследованиям влияния магнитного поля на состояния заряженных примесей.

Во второй главе "Проявление А+ центров в фотолюминесценции двумерных структур ОаАэ/АЮаАз" рассматривается возможность применения метода фотолюминесценции к изучаемому объекту, описываются результаты первых экспериментов.

В первом параграфе изложены предпосылки на основании которых сделано предположение о применимости фотолюминесцентного метода к решению поставленной задачи. Как было показано в /5/, в материалах содержащих А+ центры возможен рекомбинационный процесс при котором электрон из зоны проводимости переходит на уровень внешней дырки А+ центра. Существование подобного механизма рекомбинации открывает путь к использованию простого и хорошо разработанного метода измерения спектров фотолюминесценции для исследования А+ центров. До сих пор соответствующую такому рекомбинационному процессу линию в спектре фотолюминесценции не удавалось обнаружить экспериментально. Это связано с тем, что в объёмных полупроводниках состояние А+ центра термически неравновесно, и вероятность рекомбинаци-онного перехода с участием А+ центра и электрона зоны проводимости мала.

В двумерных структурах, однако, возможно получение равновесных А+ центров путём использования техники двойного селективного легирования, заключающейся в том, что, при выращивании структуры, акцепторами легируются узкие ¿-слои как в яме, так и в барьере. При низких температурах дырки с барьерных акцепторов переходят в квантовые ямы, где захватываются нейтральными акцепторами, образуя в результате А+ центры. Путём подбора оптимального уровня легирования ям и барьеров, можно добиться того, что все нейтральные примесные

атомы, захватив добавочную дырку, превратятся в термически равновесные А+ центры.

Второй параграф содержит описание экспериментальных исследований методом фотолюминесценции структур с двойным селективным легированием. Для сравнения экспериментально изучались также структуры легированные только в ямах. Образцы исследовались при температуре жидкого гелия, концентрация акцепторов составляла 5-1017см~3, ширина квантовых ям равнялась 9 и 15 нм. Характерной особенностью спектра фотолюминесценции структуры содержащей А+ центры является отсутствие обычной примесной линии. Пики свободного и связанного экситона не разрешаются по причине большого уширення спектра вследствие высокого уровня легирования. Основной пик фотолюминесценции структуры содержащей А+ центры в исследованных структурах располагается по энергии ниже энергетического положения пика связанного экситона, причём его заглубление в яме шириной 9нм больше чем в яме 15 нм.

В третьем параграфе второй главы изложено обсуждение экспериментальных данных. Результаты фотолюминесцентных исследований сравнивались с измерениями температурной зависимости эффекта Холла, проведёнными ранее на этих же структурах. Холловские измерения структуры с шириной ямы 9 нм показали, что энергия связи А+ центра в этих ямах возросла до 14мэВ, то есть она на 7мэВ больше чем в ямах шириной 15 нм /4/. Наблюдаемое возрастание энергии связи согласуется с заглублением фотолюминесцентного пика связанного с А+ центрами и объясняется увеличением квантоворазмерного ограничения. Совокупность полученных экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что пик фотолюминесценции, связанный с А+ центрами, действительно является результатом излучательной рекомбинации электронов с дырками на основном уровне А+ центров.

В третьей главе "Энергия связи А+ центра в квантовых ямах ОаАз/АЮаАэ" изложена использованная в данной работе методика измерения энергии связи А+ центра путём анализа спектров фотолюминесценции. Также в третьей главе описываются результаты экспериментов

по измерению зависимости энергии связи А+ центра от ширины квантовой ямы и теоретическое объяснение полученных данных.

Первый параграф третьей главы содержит описание экспериментального метода с помощью которого удалось измерить энергию связи А+ центра. Концентрация примеси в образцах была уменьшена в пять раз, по сравнению с предыдущими экспериментами. Также была уменьшена толщина 5-слоя легирования в яме. В результате общая ширина спектра фотолюминесценции структур содержащих положительно заряженные акцепторы уменьшилась в несколько раз. В спектре стали разрешаться два пика: пик излучательного перехода на А+ центр и пик рекомбинации экситонов связанных на А0 центрах, которые появляются вследствие связывания фотовозбужденных электронов на А+ центрах. Наличие в спектре фотолюминесценции структур с двойным селективным легированием обоих этих пиков позволяет измерить энергию связи А+ центра. Так как энергия связи экситона локализованного на нейтральном акцепторе известна из литературных данных, то, измеряя разность энергий пиков А+ центра и связанного экситона, можно получить точную энергию связи А+ центра.

Во втором параграфе третьей главы изложены подробности эксперимента по измерению зависимости энергии связи А+ центра от ширины квантовой ямы, в диапазоне от 7 до 18 нм. Для идентификации пиков исследовались температурные зависимости их интенсивности. Метод основан на том, что с повышением температуры пик связанного экситона быстро исчезает благодаря малой его энергии связи с нейтральным центром, тогда как интенсивность излучательных переходов свободных электронов на А+ центры уменьшается слабее.

В третьем параграфе экспериментальная зависимость энергии связи А+ центра от ширины квантовой ямы сравнивается с результатами теоретического расчёта энергетической структуры двумерного А+ центра, выполненного в модели потенциала нулевого радиуса /б/. Уравнение Шрёдингера в методе потенциала нулевого радиуса, записывается в виде

Яо0(тО = Еф{г) + У6{г-го)Фо,

где #0 - гамильтониан Латтинжера, Ф0 — произвольный постоянный спинор, а го - положение примеси. Значение энергии связи А+ центра в объёмном материале является параметром задачи. В работе /6/ данное уравнение было рассмотрено с граничным условием, определяющим асимптотическое поведение сферически симметричной части волновой функции вблизи дефекта. В результате были получены аналитические выражения для энергии связи основного и возбуждённого состояния А+ центра, а также зависимость радиуса волновой функции А+ центра от ширины ямы.

25-

20-

Я

Г) £ 15-

Ш" 10-

5-

%

5 10 15

Ширина квантовой ямы, нм

20

Рис. 1. График зависимостей энергий связи основного (Ец) и возбуждённого (Е&) состояния от ширины ямы. 1 — Ец, 2 — Ei2 — расчёт для энергии связи Е1 в объёмном материале равной 5мэВ /6/; 3 — эксперимент.

На рисунке 1 приведены экспериментальные результаты и теоретические кривые для значения параметра, соответствующего энергии связи А+ центра в объёмном материале Е4 = 5мэВ. Относительно большое значение энергии связи для объёмного материала объясняется тем, что в ОаАэ энергия связи А+ центра значительно возрастает вследствие по-ляроиного эффекта. Видно, что результаты теоретического расчёта удовлетворительно описывают экспериментальные данные.

В четвёртой главе "Тонкая структура А+ центров в квантовой яме" описано исследование спиновой структуры двумерных А+ центров.

В первом параграфе четвёртой главы обсуждены предпосылки к изучению тонкой, спиновой структуры А+ центра. Теоретическая модель, рассмотренная в третьей главе, предсказала существование, кроме основного, также и возбуждённого состояния А+ центра, положение которого, относительно основного состояния, определяется шириной квантовой ямы. Известно, что в приложенном внешнем магнитном поле уровни энергии как основного, так и возбуждённого состояний будут расщепляться. В том случае, если расщепление уровней имеет величину порядка энергетического интервала между уровнями основного и возбуждённого состояний, возникнет "взаимодействие уровней". Методом, удобным для экспериментального наблюдения подобного эффекта, является измерение степени циркулярной поляризации фотолюминесценции, появляющейся при приложении к образцу внешнего магнитного поля.

Результаты таких измерений изложены во втором параграфе четвёртой главы. Основные эксперименты выполнены на образце с шириной квантовой ямы IV, равной 16 нм, в котором наблюдается достаточно хорошее разрешение близко расположенных пиков фотолюминесценции связанного экситона и рекомбинационного излучения А+ центра. Для определения степени поляризации и величины расщепления пиков спектры фотолюминесценции записывались в положительной и отрицательной циркулярных поляризациях. Магнитное поле было направлено перпендикулярно плоскости квантовых ям в образцах.

Полученная в результате эксперимента зависимость степени циркулярной поляризации фотолюминесценции А+ центра от магнитного поля обсуждается в третьем параграфе четвёртой главы. В слабых магнитных полях циркулярная поляризация излучения связанного с А+ центрами возникает за счет спинового расщепления уровней связанной дырки и электрона, и их температурного перезаселения. В более сильных полях становятся существенными диамагнитные эффекты для локализованных дырок. В этом случае поведение основного и возбужденного уровней А+ центра может быть описано гамильтонианом:

+<Д/2)( Л2 - 5/4) + ЛоВ2

где В — магнитное поле, направленное вдоль оси роста {ось г), А — величина расщепления между основным н возбужденным состояниями в нулевом магнитном поле, Л — оператор проекции полного момента дырки на ось х. Физический смысл параметров А1 и Ао состоит в том, что А1 описывает изменение энергетического зазора между основным и возбужденным состояниями, а Ац- общий сдвиг этих уровней в квадратичном по магнитному полю приближении. Спиновое расщепление уровней электрона описывается обычным гамильтонианом: Й = ¡х0дс{ЗхН), где — оператор проекции спина электрона на ось г, де — 0-фактор электрона. Используя выражения для гамильтонианов, и предполагая, что ширина линий фотолюминесценции превосходит величины магнитных расщеплений, а уровни носителей заряда заселены равновесно, можно получить аналитическое выражение для степени циркулярной поляризации во внешнем магнитном поле. Оценка для величины А была получена

Рис. 2. Зависимость степени циркулярной поляризации от магнитного поля. Сплошной линией показана рассчитанная кривая.

в третьей главе и составляет 1-2 мэВ. Величина поперечного р-фактора дырки для А+ неизвестна, но обычно для квантовых ям ОаАэ/АЮаАв она приблизительно равна 1. Значение А1 можно просто оценить из соображений, что диамагнитные эффекты должны разрушать связанное

состояние в полях, когда магнитная длина станет равной характерному размеру волной функции в нулевом поле.

На рисунке 2, наряду с экспериментальными данными по зависимости степени циркулярной поляризации Ратс от магнитного поля, приведены результаты соответствующих расчетов при де = —0.3 /7/; = 0.8; Л1 = 0.06теУ/Т2; Л = 1.5 шеУ; Т = 4.2 К. Видно, что расчет правильно отражает зависимость однако по величине теоретическая кри-

вая была уменьшена в четыре раза. Мы связываем это уменьшение с деполяризацией излучения, которая может происходить на поверхности образца и в экспериментальной установке. Таким образом в данном параграфе показано, что предложенная в третьей главе модель А+ центра, подтверждается оптическими экспериментами в магнитном поле. Основные результаты и выводы:

1. Установлено, что рекомбинация свободного электрона с А+ центром может происходить путём излучательного захвата электрона на основной уровень А+ центра, и обнаружена линия фотолюминесценции соответствующая данному процессу.

2. Показано, что спектр фотолюминесценции структур, содержащих равновесные А+ центры, состоит из двух линий: линии излучательного перехода электрона со дна зоны проводимости на основной уровень А+ центра и линии экситона связанного на нейтральном акцепторе.

3. Разработана методика измерения энергии связи двумерных А+ центров с помощью фотолюминесцентных измерений, и экспериментально измерена зависимость энергии связи А+ центра от ширины квантовой ямы.

4. Показано существование тонкой энергетической структуры А+ центра в квантовой яме, состоящей из двух уровней, основного, со спином 3/2, и возбуждённого, со спином 1/2. Получены значения параметров характеризующих данную структуру и её поведение в магнитном поле.

Основные результаты диссертации опубликованы а работах:

1. Yu.L.Ivdtiov, N.V.Agrinskaya, P.V.Petrov, V.M.Ustinov, G.E.Cirtin, "Manifestation of A+ Centers In Luminescence of two Dimensional GaAs/AIGaAs Structures"// Proceedings of the 26th International Conference: Physics of Semiconductors, 2002 Edinburg;

2. Ю.Л.Ивйнов, И.ВАгринская, П.В.Петров, В.М.Устинов, Г.Э.Цырлин, "Проявление А+ центров в люминесценции двумерных структур GaAs/AIGaAs"// ФТП, 36, 993 (2002);

3. Ю.Л.Ивйнов, П.В.Петров, АА.Тонких, Г.Э.Цырлин, В.М.Устинов, "Зависимость энергии активации А+ центров от ширины квантовых ям в структурах GaAs/AIGaAs"// ФТП, 37, 1114 (2003);

4. N. VAgrinskaya, Yu.L.Ivdrtov, Р: V.Petrov, V.M.Ustinov, "Photoluminescence and transport in selectively doped p-GaAs/AIGaAs quantum wells: manifestation of the upper Hubbard band"// Solid State Comm., 126, 369 (2003);

5. N.V.Agrinskaya, Yu.L./vdnov, P.V.Petrov and V.M.Ustinov, "Photoluminescence and transport In selectively doped p-GaAs/AlGaAs quantum wells related to A+ centers"// Proceedings of the Uth International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2003 St.Petersburg;

6. Н.САверкиев, А.Е.Жуков, Ю.Л.Ивйнов, П.В.Петров, К.С.Романов , АА.Тонких, В.М.Устинов, Г.Э.Цырлин, "Энергетическая структура А+ центров в квантовых ямах"// ФТП, 38, 222 (2004);

7. N. VAgrinskaja, N.SAverkiev, Yti.L.Ivdnov, P. V.Petrov, K.S.Romanov and V.M.Ustinov, "Photoluminescent properties of holes bounded on 2D neutral acceptors"// Proceedings of the 12th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2004 St.Petersburg;

8. K.S.Romanov, N. V.Agrinskaja, N.S.Averkiev, Yu.LJvdnov, P. V.Petrov, and V.M. Ustinov, "Photoluminescent and kinetic properties of A(+) centers in quantum well"// Proceedings of the 27th International Conference on the Physics of Semiconductors — ICPS-27, 2004 Arizona;

9. P. V.Petrov, Yu.LJvdnav, K.S.Romanov, A.A.Tonkikh and N.SAverkiev "Fine structure of A+ centers in GaAs/AlGaAs quantum wells"// Proceedings of the 14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2006 St.Petersburg;

10. П.В.Петров, Ю.Л.Иейнов, К.С.Романов, А.А,Тонких, Н.С.Аверкиев, "Циркулярно поляризованная фотолюминесценция, связанная с А+ центрами в квантовых ямах GaAs/AlGaAs"// ФТП, 40, 1099 (2006);

Цитируемая литература:

Ц] M.A.Lampert, Phys.Rev.Lett. 1, 450 (1958)

[2] M.W.Dellow, Р. И. Bet on, CJ.G.M.Langerak, TJ.Foster, P.C.Main, L.Eaves, M.Henmi, S.P.Beaumont, C.D.W.Witkinson, Phys.Rev.Lett. 68, 1754 (1992)

[3] Е.М.Гершензон, Г.H.Гольцман, А.П.Мельников > Письма в ЖЭТФ, 14, 281 (1971)

[4] Н.В.Агринская, Ю.Л.Иейнов, В.М.Устинов, ДЛ.Полоскин, ФТП, 35, 571 (2001)

[5] Е.М.Гершензон, Ю.П.Ладыжинский, А.П.Мельников, Письма в ЖЭТФ. 14, 380 (1971)

[6] Н.САверкиев, А.Е.Жуков, Ю.Л.Иейнов, П.В.Петров, К.С.Романое, АЛ.Тонких, В.М.Устинов, Г.Э.Цырлин, ФТП, 38, 222, (2004)

[7] E.L. Ivchenko, G. Pikus. Supertattices and Other Heterostructures, Springer-Verlag, 1995

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 07.11,2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 952Ъ.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14 Тел./факс: 297-57-76

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Н"-подобные центры в Si и Ge.

1.2 Особенности Н~-подобных центров в полярных полупроводниках

1.3 Неподобные центры в двумерных структурах.

1.4 Влияние магнитного поля на Неподобные центры

2 Проявление А+ центров в фотолюминесценции двумерных структур GaAs/AlGaAs

2.1 Показания к применению фотолюминесцентного метода.

2.2 Эксперимент.

2.3 Обсуждение результатов.

3 Энергия связи А+ центра в квантовых ямах GaAs/AlGaAs

3.1 Применение фотолюминесцентного метода для измерения энергии связи А+ центров.

3.2 Эксперимент.

3.3 Обсуждение результатов.

4 Тонкая структура А+ центров в квантовой яме

4.1 Измерение степени циркулярной поляризации фотолюминесценции, как метод изучения энергетической структуры

А+ центра.

4.2 Эксперимент.

4.3 Обсуждение результатов.

Объект исследования и актуальность темы. А+ центром в полупроводниках называется комплекс образованный нейтральным акцептором и захваченной им дополнительной дыркой. На данный момент существуют две физические модели объясняющие механизм такого захвата. Первая из них основывается на аналогии с отрицательно заряженным ионом водорода Н~. Атом водорода в такой модели рассматривается как диполь, который притягивает дополнительный электрон электростатическим потенциалом диполя ~ г~2. Второй подход заключается в использовании модели потенциала нулевого радиуса. Как известно, в периодическом потенциале атомов кристаллической решётки носитель заряда находящийся в разрешённой зоне может двигаться свободно. Нейтральный атом примеси нарушает периодичность потенциала, что приводит к образованию узкой потенциальной ямы, обычно описываемой S(f - го)-функцией.

Впервые на возможность существования в твёрдом теле центров, подобных иону водорода Н~, D~ центров и их аналога в полупроводниках р-типа — А+ центров, указал Lampert /1/ в 1958 году. Н~-подобные центры в твёрдых телах сразу привлекли внимание исследователей в самых разных областях физики. Основными вопросами изначально были вопросы о самом существовании таких центров, о величине энергии связи и о размере волновой функции в различных материалах. Интерес к А+ и D" центрам в объемных полупроводниках был вызван в первую очередь тем, что такие дефекты играют принципиальную роль в процессах прыжковой проводимости по примесным зонам. Системы с Н~-подобными центрами при различных концентрациях нейтральной примеси стали объектом изучения теории неупорядоченных систем с потенциалами малого радиуса. Так же Н~-подобные центры в полупроводниках привлекли значительное внимание как объекты моделирующие отрицательно заряженный ионон водорода в различных условиях. В частности, в астрофизике, в области изучения природы нейтронных звёзд и звёзд типа "белый карлик", оказалось необходимым исследовать поведение иона Н~ в пределе сильного магнитного поля, когда циклотронная частота, делённая пополам, превышает энергию связи атома водорода. В лабораторных условиях получить такое магнитное поле (> 105Т) невозможно, однако для D" центров в полупроводниках, ввиду малости их энергии связи и малой эффективной массы электрона, предел сильного магнитного поля оказывается легко достижим ЮТ). С развитием технологии получения гетероструктур стала актуальной задача изучения А+ и D- центров в квантоворазмерных системах. Так, например, в работе /51/ было показано, что наличие заряженных примесных состояний оказывает существенное влияние на работу резонансного туннельного диода. Последний всплеск активности исследований в данной области /5, 6/ был инициирован предложением схемы квантового компьютера на базе полупроводниковых материалов /7, 8/. А+ и D- центры, в данном контексте, представляют особенный интерес ввиду относительно большого, порядка 10нм, размера их волновой функции, что может позволить сконструировать наноразмерный прибор функционирующий на основе только одного "атомного" Н~-подобного состояния.

В отсутствие магнитного поля ион Н~ имеет одно синглетное состояние с энергией связи 0.055 Eq /2/, где Eq = т*е4/2Ь2с2 — эффективный ридберг. В полупроводниках, по причине малости эффективной массы носителей заряда и большой диэлектрической постоянной, энергия связи А+ и D" центров в несколько тысяч раз меньше, чем энергия связи иона Н-. Поэтому исследования Н~-подобных центров в объёмных полупроводниках возможны только при низких температурах ~ 1 К. Впервые существование заряженных примесей экспериментально было показано в работе Гершензона и др. /3/ (1971). Энергия связи А+ и D~ центров в германии и кремнии, измеренная в данной работе методом субмиллиметровой фотопроводимости, составила величину порядка 1-5 мэВ, в зависимости от материала и типа примеси.

Несмотря на сложность экспериментов и то, что в объёмном материале состояния заряженных примесей неравновесны, исследования Неподобных центров непрерывно продолжаются на протяжении последних 30 лет. Для исследований применяются такие методики, как фононная спектроскопия /60/, магнетнолюминесценция /52/, измерение проводимости в верхней зоне Хаббарда /4/.

С развитием техники эпитаксиального роста стало возможным изготовление квантоворазмерных структур содержащих Н~-подобные заряженные примесные состояния. Исследование А+ и D" центров в двумерных структурах имеет сразу два преимущества. Во-первых, методом двойного селективного легирования, легируя одновременно и яму и барьер, можно создавать равновесные заряженные состояния. Во-вторых, энергия связи локализованных состояний в квантоворазмерных структурах значительно возрастает, что позволяет изучать их при более высоких температурах.

D- центры в квантовых ямах к текущему моменту достаточно хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально (см. например /9, 10/). Между тем к началу работы над данной диссертацией была опубликована только одна статья посвященная А+ центрам в двумерных структурах /11/. В этой работе, методом исследования низкотемпературной проводимости квантовых ям содержащих А+ центры, была получена оценка для радиуса волновой функции дырки захваченной нейтральным акцептором (го ~ 8нм). Однако вопрос о других параметрах двумерного А+ центра оставался открытым.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось изучение свойств А+ центров в квантовых ямах.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Изучить возможность применения фотолюминесцентного метода для исследования А+ центров в квантовых ямах;

2. Исследовать экспериментально энергетическую структуру двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы;

3. С помощью метода измерения циркулярной поляризации фотолюминесценции исследовать экспериментально проявления тонкой, спиновой структуры А+ центра в магнитных полях;

4. Объяснить полученные экспериментальные результаты в рамках существующих теоретических моделей для А+ центра в квантовой яме.

Для решения поставленных задач использовался метод фотолюминесцентного анализа структур с А+ центрами, основанный на существовании механизма рекомбинации дырки, захваченной нейтральным акцептором, и свободного электрона /12/. Исследовались спектры фотолюминесценции при различных интенсивностях накачки и температуре образца. Для получения данных о тонкой структуре А+ центра, анализировалась степень циркулярной поляризации фотолюминесценции образцов помещённых в магнитное поле.

Научная новизна определяется следующими полученными в работе результатами:

1. В структурах, содержащих квантовые ямы GaAs/AlGaAs с двойным селективным легированием, обнаружена новая линия фотолюминесценции, соответствующая излучательной рекомбинации дырки основного состояния А+ центра и электрона со дна зоны проводимости.

2. Экспериментально измерена энергия связи двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы.

3. Обнаружено уменьшение степени циркулярной поляризации и интенсивности люминесценции в сильных магнитных полях обусловленное внутрицентровыми диамагнитными эффектами.

4. Экспериментально обнаружено существование тонкой структуры

А+ центра, состоящей из двух, основного и возбуждённого, состояний, и оценены параметры этой структуры.

Положения выносимые на защиту:

1. В квантовых ямах GaAs/AlGaAs с двойным селективным легированием р-типа существует излучательный рекомбинационный процесс, обусловленный переходом свободного электрона на А+ центр.

2. В спектре фотолюминесценции структур, содержащих равновесные А+ центры, доминируют две линии: линия излучательного перехода электрона со дна зоны проводимости на основной уровень А+ центра и линия рекомбинации экситона связанного на нейтральном акцепторе.

3. Энергетическая структура А+ центра в квантовой яме состоит из двух уровней — основного, со спином 3/2, и возбуждённого, со спином 1/2.

4. В сильных магнитных полях происходит пересечение уровней со спинами 3/2 и 1/2 таким образом, что уровень со спином 1/2 становится основным.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ им. Иоффе РАН, а также на следующих конференциях:

1. 26th International Conference: Physics of Semiconductors, 2002 Edinburg;

2. 11th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2003 St.Petersburg;

3. 12th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2004 St.Petersburg;

4. 27th International Conference on the Physics of Semiconductors — ICPS-27, 2004 Arizona;

5. 14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2006 St.Petersburg;

Содержание работы отражено в пяти публикациях. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Первая глава содержит обзор основных публикаций по теме диссертационной работы. В первом параграфе рассмотрены экспериментальные работы в которых впервые было показано существование заряженных примесных центров в полупроводниках аналогичных отрицательно заряженному иону водорода Н~. Во втором параграфе излагаются результаты исследований Н~-подобных центров в полярных полупроводниках. В третьем параграфе обзора описаны результаты исследований D" центров в двумерных структурах. Четвёртый параграф посвя-щён влиянию магнитного поля на состояния заряженных примесей. Во второй главе диссертации рассказывается о проведённых исследованиях А+ центров в квантовых ямах методом фотолюминесценции. Обсуждена сама возможность применения данного метода к изучаемому объекту, изложены результаты первых экспериментов. Во третьей главе описаны эксперименты, с помощью которых удалось измерить зависимость энер

5. Заключение

В ходе работы проведено экспериментальное исследование А+ центров в двумерных структурах на основе GaAs. Получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что рекомбинация свободного электрона с А+ центром может происходить путём излучательного захвата электрона на основной уровень А+ центра, и обнаружена линия фотолюминесценции соответствующая данному процессу.

2. Показано, что спектр фотолюминесценции структур, содержащих равновесные А+ центры, состоит из двух линий: линии излучательного перехода электрона со дна зоны проводимости на основной уровень А+ центра и линии экситона связанного на неравновесном нейтральном акцепторе.

3. Экспериментально измерена зависимость энергии связи А+ центра от ширины квантовой ямы.

4. Показано существование тонкой энергетической структуры А+ центра в квантовой яме, состоящей из двух уровней, основного, со спином 3/2, и возбуждённого, со спином 1/2. Получены значения параметров характеризующих данную структуру и её поведение в магнитном поле.

1. M.A.Lampert, Phys.Rev.Lett. 1, 450 (1958)

2. C.L.Pekeris, Phys.Rev. 126, 1470 (1962)

3. Е.М.Гершензон, Г.Н.Гольцман, А.П.Мельников, Письма в ЖЭТФ, 14, 281 (1971)

4. А.П.Мельников, Ю.А.Гурвич, Л.Н.Шестаков, Е.М.Гершензон, Письма в ЖЭТФ, 65, 56 (1997)

5. J.Caro, I.D.Vink, G.D.J.Smit, et all, Phys.Rev.B, 69, 125324 (2004)

6. G.D.J.Smit, S.Rogge, J.Caro, and T.M.Klapwijk, Phys.Rev.B, 69, 085211 (2004)

7. B.E.Kane, Nature 393, 133 (1998)

8. A.J.Skinner, M.E.Davenport, B.E.Kane, Phys.Rev.Lett. 90, 087901-1 (2003)

9. V.D.Krevchik, A.B.Grunin, Vas.V.Evstifeev, Russian Physics Journal, 48, 465 (2005)

10. P.Redlinski and B.Janko, Phys.Rev.B, 71, 113309 (2005)

11. Н.В.Агринская, Ю.Л.Иванов, В.М.Устинов, Д.А.Полоскин, ФТП, 35, 571 (2001)

12. Е.М.Гершензон, Ю.П.Ладыжинский, А.П.Мельников, Письма в ЖЭТФ, 14, 380 (1971)

13. В.Н.Александров, Е.М.Гершензон, А.П.Мельников, Н.А.Серебрякова, ЖЭТФ, 70, 586 (1976)

14. P.Norton, J.Appl.Phys, 47, 308 (1976)

15. M.Taniguchi, S.Narita, J.Phys.Soc.Japan, 43, 1262 (1977)

16. В.Н.Александров, Е.Ф.Астахова, Е.М.Гершензон, А.П.Мельников, ФТП, И, 79 (1977)

17. M.Taniguchi, M.Hirano, and S.Narita, Phys.Rev.Lett. 35, 1095 (1975)

18. P.Norton, Phys.Rev.Lett. 37, 164 (1976)

19. В.Н.Александров, Е.М.Гершензон, В.А.Заяц, А.П.Мельников, Р.И.Рабиноч, Н.А.Серебрякова, Ю.В.Товмач, Письма в ЖЭТФ, 28, 226 (1978)

20. Ю.Н.Демков, В.Н.Островский. Модель потенциала нулевого радиуса в атомной физике. — И.: Издательство Московского Университета, 1975

21. С.Чандрасекар. Стохастические проблемы в физике и астрономии. М.: ИЛ, 1947

22. M.Taniguchi, S.Narita, M.Kobayashi, J.Phys.Soc.Japan, 45, 545 (1978)

23. Е.М.Гершензон, А.П.Мельников, Р.И.Рабинович, Н.А.Серебрякова, УФН, 132, 353 (1980)

24. S.J.Smith, D.S.Burch, Phys.Rev. 116, 1125 (1959)

25. J.P.Cheng, B.D.McCombe, J.M.Shi, F.M.Peeters, and J.T.Devreese, Phys.Rev.B 48, 7910 (1993)

26. J.Adamowski, Phys.Rev.B 39, 13 061 (1989)

27. D.M.Larsen, Phys.Rev.B 23, 628 (1981)

28. D.Chandramohan, S.Balasubramanian, M.Tomak, Phys.Rev.B 37, 7102 (1988)

29. C.J.Armistead, S.P.Najda, P.A.Makado, R.A.Stradling, P.C.Colter, G.E.Stillman, Solid State Communications, 48, 51 (1983)

30. C.J.Armistead, S.P.Najda and R.A.Stradling, J.C.Maan, Solid State Communications, 53, 1109 (1985)

31. S.P.Najda, C.J.Armistead, C.Trager, R.A.Stradling, Semicond.Sci.Technol. 4, 439 (1989)

32. D.A.Harrison, S.P.Watkins, M.L.W.Thewalt, D.J.S.Beckett, A.J.SpringThorpe, Phys.Rev.Lett. 80, 2461 (1998)

33. G.E.Stillman, D.M.Larsen, C.M.Wolfe, R.C.Brandt, Solid State Communications, 9, 2245 (1971)

34. W.Y.Ruan, K.S.Chan, E.Y.B.Pun, J.Phys.Condens.Matter, 13, 1329 (2001)

35. W.Y.Ruan, K.S.Chan, E.Y.B.Pun, Phys.Rev.B 63, 205204 (2001)36