Магнитооптические и многочастичные эффекты в гетероструктурах на основе квантовых ям InGaSa с близкими к критическим ширинам тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАШВПРОВЦЩИКІВ

ЖУЧЕНКО ЗОРЯНА ЯРОСЛАВІВНА

УДК 535.621+ 537.311

МАГНГГООПТИЧШ ТА БАГАТОЧАСТИНКОВІ ЯВИЩА В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВІ КВАНТОВИХ ЯМ ЫтаАэ З БЛИЗЬКИМИ ДО КРИТИЧНИХ ШИРИНАМИ

г

Спеціальність - 01.04.07 -фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ-2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана у відділі лазерної спектроскопії напівпровідників та діелектриків Інституту фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник:

Офіційні опонента:

Провідна організація:

доктор фізико-математичних наук, професор Тарасов Георгій Григорович завідувач відділом Інституту фізики напівпровідників НАН України

чл.-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Блонський Іван Васильович заступник директора Інституту фізики НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор Корбутяк Дмитро Васильович завідувач відділом Інституту фізики напівпровідників НАН України

Київський університет імені Тараса Шевченка,

фізичний факультет, кафедра оптики

Захист дисертації відбудеться 21 січня 2000 р. о 14 год 15 хв на засіданні спеціалізованої вченої ради (шифр К 26.199.01) в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою 252650, МСП, Київ-28, проспект Науки, 41

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників за адресою 252650, МПС, Київ-28, проспект Науки, 45

Автореферат розісланий 20 грудня 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Модульовано леговані гетероструктури із квантовими ямами мають широке коло сучасного практичного застосування. У цьому аспекті особливо виділяються квантові ями InGaAs, на основі яких створюють псевдоморфні транзистори AlxGai-xAs/InyGai.yAs/GaAs з високою рухливістю електронів. Такі транзистори у порівнянні з добре відомими приладами на основі AlGaAs/GaAs мають більш досконалі технічні характеристики, зокрема більшу вихідну потужність та менший рівень шуму на підвищених частотах. Ці переваги досягаються за рахунок більшої рухливості носіїв та швидкості насичення в шарі InGaAs у поєднанні з кращим просторовим обмеженням (конфайнментом) носіїв та більшою густиною двовимірного електронного газу (ДЕГ). Для підвищення напруги пробою та зменшення чутливості структури до впливу DX-центрів використовують планарне легування кремнієм шару AlGaAs. В легованих кремнієм шарах AlGaAs зменшується ефект ¿XY-центрів, оскільки для досягнення кращого конфайнмету в каналі InGaAs потрібна менша молярна частка AlAs. Таким чином, псевдоморфні гетероструктури AlxGai_xAs/InyGai_yAs/ GaAs виявляються досконалими мікрохвильовими приладами для гібридного та монолітного інтегрування.

Разом з тим вони є дуже інтересним об’єктом фізичних досліджень. Просторове розділення ДЕГ високої густини та легувальних атомів дозволяє вивчати різноманітні багаточастинкові ефекти при мінімальному збуренні, спричиненому потенціалом донорної домішки. Серед цих ефектів розглядають перенормування ширини забороненої зони, сингулярності ферміївського краю (Fermi-edge singularity - FES), ефекти струшування (shake-up excitations) ферміївського моря при переходах між підрівнями Ландау, магнітоекситонні ефекти та колективні взаємодії в режимі дробового квантового ефекту Хола тощо. Незважаючи на значний прогрес в розумінні цих явищ, багато особливостей їх перебігу залишаються нез’ясованими. З точки зору фізики багаточастинкових ефектів псевдоморфні гетероструктури AlxGai.xAs/InyGai.yAs/ GaAs є майже ідеальними системами для дослідження. Перераховані властивості цих квантових систем є предметом ретельного та багатостороннього дослідження в різних лабораторіях світу.

Однією з важливих проблем є визначення якості квантового каналу, яка визначається однорідністю розподілу індію в квантовій ямі, характером розподілу та релаксації напружень, що виникають внаслідок невідповідності сталих граток підкладки (об’ємного GaAs) та епітаксійного шару InGaAs. Крім того, напружений шар InGaAs покривається товстим шаром легованого AlGaAs. Виникають два інтерфейси, що також впливають на характер перебігу оптичних та електричних процесів. Ще більше укладнює аналіз реальної фізичної системи наявність асиметрично легованої квантової ями, в результаті чого можлива

непрогнозована поведінка всієї системи в цілому. Для контролю якості каналу використовують ж прямі, так і непрямі методи. Прямі методи, такі як дифракція рентгенівських променів, Оже-спектроскоігія, мас-спектрометрія вторинних іонів, пропускальна електронна мікроскопія тощо, руйнують структуру і не є дуже надійними в основному завдяки малій чутливості (внаслідок малих розсіювальних об’ємів). В той же час непрямі оптичні методи (фотолюмінесценція (ФЛ), комбінаційне розсіювання світла (КРС)) є неруйнівними та довели свою високу інформаційність і надійність при дослідженні такого типу структур. Крім того, ФЛ широко застосовується при аналізі як легованих, так і нелегованих структур із квантовими ямами завдяки тому, що оптичний сигнал від InGaAs однозначно відрізняється від люмінесценції як підкладки, так і бар’єра. В дисертаційній роботі оптичні методи дослідження застосовані до псевдоморфних гетероструктур AlxGai_xAs/ InyGai.yAs/GaAs. Вони є дуже важливими з точки зору визначення критичних параметрів систем, що мають великий потенціал практичного застосування, та опробування сучасних теоретичних моделей. Оптична характеризація таких гетероструктур та дослідження особливостей багаточастинкових явищ в них є складною сучасною проблемою, що і визначає актуальність теми дослідження^ Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дисертаційна робота виконана у відповідності з планами наукової діяльності Інституту фізики напівпровідників Національної Академії Наук України в рамках наукової теми “Оптика і спектроскопія нових матеріалів: в тому числі квантово-розмірних систем на основі атомарних напівпровідників та сполук А2В6, А3В5, А4В6”. Робота підтримується міжнародними грантами, що отримані спільно з Університетом ім. Гумбольдта (Берлін, Німеччина): Volkswagen Stiftimg Grant, 1996-1998, № 43218 та NATO Linkage Grant, 19992000, №DS 5140712.

Мета і задачі дослідження Мета дисертаційної роботи полягає у всебічному дослідженні оптичними методами квантового каналу InGaAs, ширина якого є меншою від критичного значення. Це критичне значення визначається з умови релаксації пружного напруження в системі. При цьому досліджується характер трансформації оптичного сигналу за умов різних рівнів легування гетероструктури, в магнітному полі, при різних температурах та різних рівнях оптичного збудження, - з метою встановлення кореляції між характером оптичного відгуку та характеристиками квантової ями.

Конкретні задачі полягали в:

- дослідженні спектрів фото- та магнітолюмінесценції (люмінесценції в магнітному полі) при гелієвих температурах для модульовано легованих псевдоморфних гетероструктур А1 xGa і _х As/InyGa і .уAs/GaAs, ширина квантової ями яких є близькою до критичної (але меншою від неї) для вмісту індію у = 0.1;

- дослідженні при гелієвих температурах трансформації спектрів фото- та магнітолюмінесценції в залежності від ширини квантової ями в межах значень,

з

менших від критичного, в гетероструктурах AlxGai.xAsZInyGai.yAs/GaAs для вмісту індію у = 0.1;

- розробці методу оптичного детектування квантових осциляцій інтенсивності ФЛ в магнітному полі для дослідження модульовано легованих псевдоморфних гетероструктур AlxGai.xAsZInyGai.yAs/GaAs;

- визначенні енергій локалізації діркових станів в псевдоморфних

гетероструктурах AlxGal.xAs/InyGal.yAsZGaAs; '

- визначенні характеру поведінки ферміївської сингулярності в спектрах ФЛ сильно легованих гетероструктур AlxGal.xAsZInyGal.yAsZGaAs при зміні рівня оптичного збудження та температури;

- встановленні кореляції між шириною квантової ями МгаАв та характером

трансформації спектра ФЛ в області докритичних ширин. .

Наукова новизна роботи визначається рядом нових, перерахованих нижче результатів:

- показано, що характер ФЛ для заповненої квантової ями ЫЗаАэ критично залежить від ширини ями (сі), змінюючись від екситоноподібного для більш широких ям (сі « 20 пт) до такого, що відповідає переходам “ДЕГ - зона важких дірок” для ¿/»12 пт;

- встановлено, що низькоенергетична струкіура вузької смуги ФЛ, яка спостерігається в псевдоморфних гетероструктурах AlxGal_xAsZInyGal.yAsZGaAs (х = 0.2, у = 0.1) з шириною квантової ями ІпОаАь сі & 20 пт, пов’язана з переходами “ДЕГ - дірка, що локалізована на акцепторі”;

- методом оптичного детектування квантових осциляцій інтенсивності ФЛ в магнітному полі безпосередньо визначені величини енергій локалізації важких дірок на флуктуаціях потенціалу в квантовій ямі. Ці енергії становлять близько 10 меВ;

- вперше спостережена еволюція ферміївської сингулярності в спектрах низькотемпературної ФЛ псевдоморфних гетерострукіур AlxGai.xAsZbiyGai.yAsZ ЄаАз. Показано, що при певних рівнях оптичного збудження ферміївська сингулярність виникає, навіть коли її не було видно при слабких світлових потоках. Вона немонотонно зсувається при збільшенні рівня оптичного збудження в бік менших енергій і зникає, коли рівень збудження достатній для її дисоціації;

- встановлена природа хвостів спектрів магнітолюмінесценції в гетероструктурах А]хСаі.хА5/ІпуОаі_уАз/СаАз з високою густиною двовимірних електронів. Показано, що спостережена структура є фононними боковими смугами, які супроводжують оптичний перехід між ігідрівнями Ландау. Температурна та інгенсивнісна залежності бокових смуг інтерпретовані в моделі підсиленої фреліхівської взаємодії електронів з фононними модами квантової ями, модифікованими конфайнментом;

- встановлена кореляція між якістю квантового каналу і модифікаціями спектрів ФЛ та КРС в гетероструктурах А^Оа^хАзДпуОаьуАзЛЗаАз.

Практична значимість роботи в тому, що в дисертації представлена нова інформація щодо модульовано легованих гетероструктур AlxGai.xAs/InyGai_yAs/ GaAs, їх оптичних і магнітних властивостей. Отримані результати дають можливість для більш надійної характеризації важливих гетероструктур. Виконана неруйнівна інтегрована процедура дозволила визначити критичні параметри приладу, такі як ширина квантової ями та її хімічний склад. Розроблені в дисертації методики аналізу низькотемпературних спектрів ФЛ є придатними також і при кімнатних температурах. Встановлена кореляція між спектрами ФЛ, КРС і шириною квантової ями є також важливою з практичної точки зору, оскільки вона показує, що навіть в області докритичних ширин, для яких очікується довершений епітаксійний ріст шару InGaAs, існують такі інтервали, де якість квантового каналу істотно погіршується за рахунок зростаючого розупорядкування, пов’язаного з флуктуаціями вмісту індію, флуктуаціями потенціалу тощо. Це дозволяє удосконалювати технологію вирощування гетерострукіур. Новий рівень розуміння фізичних процесів, що відбуваються в досліджених структурах, безумовно важливий для розробки псевдоморфних транзисторів на високо рухливих електронах (HEMTs).

Особистий внесок здобувача

Значний об’єм експериментальної роботи виконаний в співавторстві з Берлінським університетом ім. Гумбольдта, зразки гетерострукіур отримані з лабораторії професора В. Т. Масселінка в рамках програми спільних досліджень між Берлінським університетом ім. Гумбольдта та Інститутом фізики напівпровідників НАН України. Автор ставив окремі задачі, розробляв методику експериментів, проводив вимірювання спектрів фотолюмінесценції. Дисертантці належить також аналіз даних, теоретичне узагальнення яких виконано спільно з професором Г.Г. Тарасовим. Висновки всіх розділів, загальні висновки дисертації повністю належать авторові дисертації.

Апробація роботи

Результати досліджень, що викладені в дисертації, доповідались на наступних конференціях: Міжнародній школі-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників (Дрогобич, Україна, 1999 p.), 26-му Міжнародному симпозіумі з складних напівпровідників ISCS’1999 (Берлін, Німеччина, 1999 p.), Міжнародній конференції OPTDIM’99 (Київ, Україна, 1999 p.), Міжнародній конференції “Advanced Materials” (Київ, Україна, 1999 p.).

Публікації

Всього опубліковано 11 робіт. З них 10 по темі дисертації: 4 статті і 6 тез доповідей.

Структура і обсяг дисертації

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 153 найменування на 17 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 150 сторінок. Приведено 2 таблиці та 33 ілюстрації, 16 з яких займають окремі сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета та визначені конкретні задачі роботи, показана новизна та практичне значення одержаних результатів.

Розділ перший присвячений огляду літератури та аналізу тих окремих результатів, що визначали стан досліджень на момент постановки задач, які розв’язувались в процесі виконання дисертаційної роботи. Зокрема, це стосується методів обчислення енергетичної структури псевдоморфної модульовано легованої гетерострукіури AlGaAs/InGaAs/GaAs, визначення та аналізу критичних товщин напруженого шару InGaAs на підкладці GaAs, характеру та особливостей прояву багаточастинкових ефектів в сильно легованих квантових гетероструктурах.

В другому розділі розглянуті особливості ФЛ в псевдоморфних модульовано легованих гетероструктурах Alo.2Gao.8As/Ino.1Gao.9As/GaAs з квантовими ямами, ширини яких були близькими до критичної для даного вмісту індію, але меншими від неї. Досліджувані зразки являли собою квантові ями шару InyGai-yAs, вирощеного на напівізолюючій підкладці GaAs з орієнтацією (100) методом молекулярно-променевої епітаксії в системі Riber 32-Р. Типова послідовність епітаксійних шарів складалась з буферного шару GaAs, нелегованого напруженого шару InyGai„yAs (каналу ДЕГ), що утворює квантову яму, нелегованого відокремлюючого (спейсерного) шару AlxGai-xAs, сильно легованого кремнієм постачального шару AlxGai.xAs і захисного шару GaAs, легованого кремнієм. Області складів для шарів InyGai.yAs і AlxGai_xAs були 0.08£у<0.17 і 0.15<х^0.20 відповідно. Подвійна кристалічна дифракція рентгенівських променів разом із симуляцією рентгенівської кривої качання використовувалась для калібрування самої ростової системи, а також для контролю повністю вирощеної системи. Була вирощена велика серія зразків, з яких ми вибрали ті, на дослідженні яких і зосереджена увага в цьому розділі. Параметри вибраних зразків становили: для першого з них ширина квантової ями InGaAs d = 20 нм, концентрація двовимірних електронів, отримана із холівських вимірювань, Ns = 7.02х10п см‘2, рухливість електронів ціс -59.5х103 см2/(Вс), а для другого відповідно d= 12 нм, Ns = 5.82x10і1 cm'2, =

З2.5х103 см2/(Вс).

ФЛ збуджувалась на довжині хвилі 514.5 нм неперервного Аг+-лазера. Густина оптичного збудження, що забезпечувалась лазерним променем, змінювалась в області від 50 мВт см"2 до 15 Вт см‘2. Сигнал ФЛ було дисперговано 3/4-метровим скануючим спектрометром Черні-Тернера, енергетична роздільна здатність якого становила 0.1 меВ. Зразки було розташовано в кріостаті системи Oxford Spectromag 4000, що дозволяло робити вимірювання у магнітних полях до 7 Т і при температурах, що змінювались від 4 до 300 К.

Магнітне поле (Т)

Для вибраних зразків критична товщина епітаксійного шару

ЫтэАб була обчислена і складала 25 нм. Нижче значення критичної товщини, тобто для епітаксійних шарів з товщинами, що не перевищують критичну, пропускальна електронна мікроскопія фіксує

довершений двовимірний ріст квантової ями з малими флуктуаціями

Рис. 1. Спектр ФЛ та залежність енергетичного пвфини та Дуже малою

положення екситоноподібної лінії від магнітного поля гу2X101010 дислокацій. В

для А1хОаі.хАз/ІпуОаі.уМЮаМ (х = 0.2, у = 0.1) з результаті спектри ФЛ від

шириною квантової ями й = 20 нм. таких НЕМТ-структур

очікуються в формі

одиночної, сильної та вузької лінії, що ймовірно має екситонну природу. Дійсно, Рис.1 показує типовий спектр ФЛ для структури Alo.2Gao.sAs/Ino.1Gao.9As/GaAs із сі = 20 нм при низькій температурі (Т = 6 К). Інтенсивна одиночна вузька лінія при 1419.6 меВ із півшириною 2.2 меВ є свідченням високої якості отриманої нами структури. На Рис. 1 енергетичне положення вузької лінії у спектрі ФЛ показане в залежності від напруженості прикладеного магнітного поля. Майже квадратична польова залежність, що спостерігається, характерна для діамагнітного екситона в слабких полях. Енергія зв’язку екситона виявилась рівною (2 + 0.1) меВ. Таким чином, низькотемпературні спектри ФЛ в Alo.2Gao.gAs/Ino.1Gao.9As/GaAs з шириною квантової ями близькою до критичної, але меншою від неї, демонструють екситоноподібий характер. Енергія зв’язку екситона виявилась досить малою, як для квантових ям, тобто систем з конфайнментом, і це пов’язано з впливом кулонівського екранування в асиметрично легованих квантових ямах.

Інтересною виявилась низькоенергетична структура спектра ФЛ, що спостерігається при відсутності магнітного поля (див. Рис. 1). Вона разюче змінюється вже при досить малому значенні магнітного поля (В « 2 Т). Рис. 2 показує цю зміну із зростанням магнітного поля при низькій температурі (Г = 6 К), внаслідок чого невиразна та широка енергетична структура при відсутності магнітного поля трансформується в добре розділені вузькі спектральні лінії при В = 7 Т. Ми пов’язуємо появу цієї смуги з рекомбінацією двовимірних електронів і фото дірок, захоплених залишковими акцепторами. Знайдена низькоенергетична особливість спектрів ФЛ ще не була описана для квантових ям ІпСаАв, будучи повністю схованою значно інтенсивнішими зона-

зонними переходами.

При переході до

гетероструктури з шириною квантової ями ІПуСа^уАв

<і= 12 нм, суттєво меншою від значення критичної товщини

для зазначеного складу (х = 0.2, у = 0.1), спостерігається значне розширення смуги ФЛ. Асиметрична форма цієї смуги при В = 0 є типовою для

міжзонних переходів в

асиметрично легованих

квантових ямах. Вона є

результатом рекомбінації електронів в підзоні провідності з = 1 і важких дірок Рис. 2. Зміна низькоенергетичного боку спектра у валентній підзоні з АГ* = 1. ФЛ (Рис. 1) з магнітним полем. Значне розширення смуги ФЛ

пов’язується з порушенням закону збереження імпульсу при прямих переходах, що виникає за рахунок певного розупорядкування квантової ями, зокрема локалізації дірок в валентній зоні. В результаті всі електрони, що заповнюють стани зони провідності аж до енергії Фермі, приймають участь в оптичних переходах при низьких температурах. Енергія Фермі визначається площинною густиною двовимірних електронів і може бути обчислена із співвідношення Ер - пІЇИ, і т,. Приймаючи до уваги виміряне значення для цього зразка,

рівне 5.82х101!см'2, і ефективну масу електрона у квантовій ямі напруженого шару ІПуОаі-уАя із у = 0.1, рівну 0.068 т0, одержуємо ЕР = 21 меВ, що і визначає величину розширення смуги ФЛ, спостережувану експериментально.

В третьому розділі основна увага зосереджена на дослідженні механізмів локалізації дірок в квантових гетероструктурах. Проведене пряме дослідження локалізованих діркових станів в псевдоморфних модульовано легованих гетероструктурах А1хСаі.хА5/Іпу0аі_уА8/0аАз (х = 0.2, у = 0.1) методом оптичного детектування квантових осциляцій. Метод оптичного детектування квантових осциляцій (ОДКО) відноситься до магнітооптичних методів, оскільки досліджується поведінка ФЛ в магнітному полі. В основі лежить ідея, що інтенсивність ФЛ, пов’язаної з ДЕГ, що відповідає заданій енергії, проходить через максимум кожного разу, коли ця енергія співпадає з положенням рівня Ландау в скануючому магнітному полі. На відміну від звичайних магнітооптичних досліджень метод ОДКО не потребує детектування сигналу ФЛ на рівні Фермі і, більше того, дозволяє вивчати роздільно заповнення різних квантових підзон шляхом моніторингу відповідних оптичних переходів. Із

Енергія (еВ)

0.25

д: 0.20

о

са О 0.15

3

ч

© 0.10

5

0.05

и

0.00

а) л- ОДКО

. Зразок 1 1 \ при 1.4146 сВ

Т=6К 1 1 \ * ОДКО

1 \ ^при_1.4244 еВ

]

1.38 1.40 1.42 1.44

___________Енергія (еВ)

1.46

§

Ю

0

-5

1 н

ОДКОпри 1.4146 еі

І

і . і . І . І

ОДКО визначаються всі основні параметри:

а) ефективна ширина забороненої зони, ефективна маса вільних носіїв та її залежність від енергії визначаються шляхом вимірювання залежності періоду ОДКО від енергії (положення лінії) відповідної ФЛ;

б) повна концентрація ДЕГ визначається шляхом моніторингу осциляцій на рівні Фермі, де період ОДКО співпадає з періодом осциляцій Шубнікова -деГааза;

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Обернене магнітне поле В 1 (Т'))

в) рівноважна концентрація двовимірних носіїв оцінюється за результатами вимірів залежності п, від інтенсивності збуджуючого світла та екстраполяції л, до зникаюче малого рівня інжекції нерівноважних носіїв.

Рис. З,а показує спектр ФЛ для зразка з шириною квантової ями 12 нм при Т =? 6 К і дві Рис. 3. Результати ОДКО в межах смуги позиції монітора між Е і ФЛ для А1хСа1.хАзЯпуОа1.уА5/ОаА-і (х = 0.2, Е+Ег, що скануйся 0.1, а= 12 нм): а) спектр ФЛ, позиція монітора .

показана стрілками; б) залежності ОДКО для магнітним полем. На Рис. 3,6 позицій монітора, показаних на а). Осциляції показані типові квантові Шубнікова-деГааза наведені для порівняння, осциляції для цих двох різних

позицій монітора. Осциляції чудово спостерігаються при порівняно низьких значеннях магнітного поля (вже при 1.5 Т), тоді як, навпаки, розщеплення рівнів Ландау в спектрі ФЛ стає помітним при значеннях магнітного поля, вищих від З Т. Осциляції, слабкіші від тих, що показані на Рис. З, б, були виділені шляхом вимірювання величини похідної сЯфл/й©; таким чином, обернений період можна визначити навіть для ледь помітних осциляцій. Коли ФЛ досліджується поблизу Ер, то форма оптично детектованих квантових осциляцій дуже схожа до форми осциляцій Шубнікова - де Гааза, вимірюваних для тих же самих зразків. Рис. 4 показує залежність оберненого періоду ОДКО від позиції монітора. Нижній набір даних

добре апроксимується лінією, яка перетинає вісь енергії при Ет = Eg = 1.401 ±

0.001 еВ, що точно співпадає із значенням Ег. Верхній набір даних теж виявляє лінійну залежність, яка перетинає вісь абсцис при значенні Ет, дещо зсуненим за енергією відносно Ег (приблизно на ЮмеВ). Така поведінка оптично детектованих квантових осциляцій відображає існування локалізованих станів

дірок в області

забороненої зони.

Енергія локалізації безпосередньо виводиться із Рис. 4 і становить №¡r¡t - 10 меВ. Локалізація дірок є результатом або флуктуацій ширини квантової ями, або мікроскопічних флуктуацій складу сплаву.

В четвертому, заключному, розділі вивчені особливості прояву багаточастин-кових ефектів в

гетероструктурах з

Рис. 4. Залежність оберненого періоду ОДКО від високою густиною ДЕГ положення монітора в межах смуги ФЛ, отримана та підсумовані решляхом детектування похідної сЛФЛ/с!В. зультати дослідження

гетероструктур AlxGai.xAs/InyGai.yAs/GaAs з докритичними ширинами квантових ям методами ФЛ та КРС. Щоб спостерігати FES-ефекти і екситонне підсилення, що пов’язані із другою електронною підзоною провідності в асиметрично модульовано легованій квантовій ямі, значення густини електронного газу повинно бути підігнаним так, щоб рівень Фермі був розташований у безпосередній близькості від електронного рівня п = 2. Крім цього, необхідним є сильне перекриття хвильових функцій просторово розділених електронів і дірок, щоб гарантувати ефективну кореляцію електронів і дірок. Однак, як показали наші дослідження, ці умови є необхідними, але не достатніми для спостереження FES. Звичайно FES може бути ідентифікованим:

і) у ФЛ як зростання сили осцилятора для оптичних переходів поблизу краю Фермі, коли розупорядкування квантової ями або локалізація дірок порушують закон збереження імпульсу при прямих переходах і дозволяють переходи, номінально заборонені цим законом; іі) у поглинанні як екситонне підсилення з фактором 2 при 4 К для густини електронів порядку 1ч-5х10псм"2 із наступним зменшенням цього підсилення при вищих густанах. Всі вищезгадані ефекти

Позиція монітора (еВ)

виявляють сильну магнітного поля.

залежність від температури, інтенсивності збудження і

Зразки, використані у наших дослідженнях, мали склад шарів А1хСаі.хА5 і ІПуОаі.уАБ, що становив х = 0.20 і .у = 0.19 відповідно. Ширина квантової ями мала значення 15 нм. Густина ДЕГ була одержана із низькопо-льових холівських вимірювань при 4.2 К (% = 11.8x10і1 см'2). За цих умов, як показав самоузгоджений розв’язок рівнянь Шредін-гера і Пуасона в рамках наближення ефективної маси із використанням кубічних /2-сплайнів, значення розщеплення Д = Ег-Ех

Енергія (еВ)

Рис. 5. Трансформація високоенергетичного хвоста спектра ФЛ з підвищенням інтенсивності збудження.

Криві 1-4 відповідають інтенсивностям: 1 - 0.00210, ДЛЯ зони провідності 2-0.0110, 3 - 0.110, 4 -10 (І0 - 20 Вт/см2). Енергії становить 48 меВ, і зна-переходів для FES та екситона підзоли п = 2 показані чення Ер виявляється на стрілочками вгору. 5 МеВ менше від значення

E¡. Рис. 5 показує характерний спектр ФЛ при 4.2 К. Явно виражена смуга при 1.284 еВ зумовлена рекомбінацією електронів підзони п = 1 і важких дірок підзони п = 1 і має типово асиметричний вигляд.

Зміна вигляду спектра ФЛ у безпосередній близькості від £> під дією різних густин збудження і/або різних температур дає явний доказ прояву FES. Ми виявили нові особливості прояву FES, починаючи від його появи і аж до його зникнення у спекірах ФЛ. Як можна бачити із спектрів ФЛ (Рис. 5), при невисоких рівнях оптичного збудження хвіст ФЛ простягається далеко за межі Ef■ Немає жодного натяку на існування екситона, пов’язаного із підзоною я = 2. Коли густина збудження поступово зростає, стає помітною лінія FES з очевидним зсувом в бік енергій, менших від Ef. Крутизна спектрального спаду після лінії FES різко зростає, а вище Ер сигнал ФЛ взагалі не детекгується. Подальше зростання густини збудження дає натяк на появу лінії, пов’язаної із п = 2, яка рухається в бік вищих енергій. Остаточно при високих інтенсивностях лінія FES зникає повністю, і у спектрі залишаються лише смуги, пов’язані із переходами Ец і E¡¡. Рис. 6 показує рух лінії, пов’язаної з FES, і лінії, пов’язаної з л = 2, із зміною інтенсивності збудження. Зсув в короткохвильову область спектра смуги E2¡ інтерпретується як перехід від гібридизованого ексигонного

стану до власне (атомного) екситонного стану, коли враховується екранування екситона підзони п = 2 надлишковими електронами. Характер трансформації спектра ФЛ, представлений на Рис. 5, інтерпретовано в рамках моделі резонансу Фано між дискретними екситонними станами та континуумом

елементарних збуджень ферміївсько-гоморя.

Дослідження спектрів ФЛ fe магнітному полі виявили надзвичайно сильні фононні бічні смуги, інтенсивність яких є оберненою за номером порівняно із інтенсивностями безфононних ліній,

що відповідають Рис. 6. Зсув за енергією ліній, що відповідають FES та ПЄрЄХОдам

екситону підзони п = 2, із підвищенням інтенсивності ■_________• п

.. 3 ' гадрівнями Ландау

збудження. . . .

зони провідності 1

валештюї зони. Цей ефект спричинений подавленням бічних смуг. із невеликими АN = (|JV, — ЛГА|) в результаті інтерференції між електрон-фононним і дірково-фононним каналами рекомбінації і магнітним квантуванням у двовимірній системі. Значне підсилення LO-фононних бічних смуг пов’язане з зростанням електрон-фононної взаємодії в системах з просторовим обмеженням.

Порівняльна характеризація досліджених зразків виконана методами ФЛ та КРС. Фотолюмінесцентні дослідження легованих гетероструктур AlxGai.xAs/ InyGai-yAs/GaAs з квантовими ямами, що мають докритичну ширину, показують певні тенденції в зміні характеру та механізму випромінювальної рекомбінації в залежності від ширини ями: від екситоноподібної лінії для квантової ями з d~ 20 нм, яка свідчить про високу якість шару InyGai.yAs, до широкої смуги зона-зонної рекомбінації із півшириною, що складає 16 меВ, для квантової ями із d = 12 нм. Метод ОДКО інтенсивності ФЛ недвозначно вказує на існування різних сортів локалізованих дірок в останніх структурах. Сильна локалізація відбувається на флукіуаціях потенціалу, викликаних нерівномірним розподілом вмісту індію в шарі з квантовою ямою. Вимірювання КРС, виконані при кімнатній температурі в геометрії розсіювання назад в спектральній області 100-400 см"1, показують появу повздовжнього акустичного фонона,

активованого розупорядкуванням, для гетероструктур, що дають широку смугу

0.01 0.1 1

Інтенсивність збудження Ш0

ФЛ. У смугу при 160 см'1 можуть давати вклад також 2ТА (поперечні акустичні) моди шару biyGai.jAs, активовані розупорядкуванням.

Таким чином, ми встановлюємо певну кореляцію між оптичними спектрами гетероструктур AlxGai.xAs/InyGai.yAs/GaAs: повздовжній акустичний фонон, активований розупорядкуванням, виразно проявляється в спектрах КРС якраз в тих зразках, де спектр ФЛ також свідчить про значне розупорядкування квантової ями. Ми вважаємо, що така кореляція між спекірами є дуже показовою для аналізу якості квантової ями в області докритичних товщин. Вона висвітлює нові особливості елекірон-фононної взаємодії в просторово обмежених структурах, в яких генерується розупорядкування квантової ями.

Висновки

Основними результатами проведених досліджень є:

1) Встановлена кардинальна зміна механізму ФЛ із зміною ширини квантової ями поблизу значення, що відповідає критичному значенню товщини для модульовано легованих псевдоморфних напружених шарів AlxGai.xAs/ InyGai_yAs/GaAs (х = 0.2, у = 0.1): від екситоноподібної лінії для ширини квантової ями d = 20 нм, що є свідченням високої якості квантової ями, до зона-зонних переходів в розупорядкованих квантових ямах з d = 12 нм. Енергія зв’язку екситона оцінюється в 2 меВ, оскільки кулонівська взаємодія екранується вільними носіями, що мають порівняно високу концентрацію. У низькоенергетичній області спектра виявлена слабка і відносно широка структура, яка приписується переходам “ДЕГ - важка дірка, захоплена на акцептор”.

2) 3 допомогою методу ОДКО інтенсивності ФЛ у магнітному полі з’ясований характер локалізації важких дірок. Виявлено присутність станів локалізованих дірок, відокремлених на 10 меВ від валентної зони. Показано, що локалізація спричинена флуктуаціями сплаву, зокрема неоднорідністю розподілу вмісту індію в площині шару InyGai_yAs.

3)В спектрах ФЛ сильно легованих гетероструктур AlxGai.xAs/InyGai.yAs/GaAs (jc = 0.20, у - 0.19) спостерігалось зародження FES при інтенсивностях помпування набагато нижчих від тих, що потрібні для прояву гібридизованого екситона, пов’язаного із підзоною п — 2. Ефект супроводжується утворенням стрімкого краю смуги ФЛ з боку вищих енергій та пояснюється в рамках моделі резонансу Фано між екситонними станами та континуумом елементарних збуджень ферміївського моря.

4) Виявлені інтенсивні фононні бічні смуги для безфононних переходів між рівнями Ландау в магнітному полі з боку низьких енергій хвоста у спектрі ФЛ, що є результатом підсиленної фреліхівської взаємодії в системах з просторовим обмеженням.

5) Встановлена кореляція між спектрами ФЛ та КРС, яка дозволяє робити висновки щодо ступеня розупорядкування квантової ями в області докритичних товщин. Зменшення ширини квантової ями приводить до значного росту

кількості дефектів, які є відповідальними за розширення смуг ФЛ, і появи нових фононних мод, індукованих розупорядкуванням, в спектрах КРС.

6) Сукупність експериментальних даних для гетероструктур AlxGai.xAs/ InyGai_yAs/GaAs з ширинами квантових ям меншими від критичної недвозначно свідчить, що існує певний інтервал товщин квантових ям, центрований поблизу, але нижче значення критичної товщини для заданого складу гетерострукіури, для якого якість квантової ями залишаться натомість високою. В цьому інтервалі не генеруються дислокації невідповідності, але й флуктуаційні ефекти не є значними. При зменшенні ширини квантової ями до 12 нм роль флукіуаційних ефектів та розупорядкування квантової ями значно зростає, спричинюючи значне розширення смуги ФЛ та появу заборонених мод, що індукуються розупорядкуванням, в спектрах КРС. Встановлена кореляція спектрів ФЛ та КРС дозволяє ефективно виконувати неруйнівний контроль реальних гетероструктур. Нові дані стосовно прояву багаточастинкових ефектів в спектрах ФЛ та магнітолюмінесценції свідчать про фундаментальний характер дослідження. .

Список основних робіт автора, шо увійшли до дисертації .

1. Kissel Н., Müller U., Walther С., Masselitik W. T., Mazur Yu. 1., Tarasov G. G.,

Zhuchenko Z. Ya. Peculiarities of photoluminescence in pseudomorphic modulation-doped Alo.2Gao.8As/Ino.1Gao.9As/GaAs quantum wells // Phys. Rev. B-1998,- V. 58, №8,- P. 4754-4760. ,

2. Tarasov G. G., Müller U., Mazur Yu. I., Kissel H., Zhuchenko Z. Ya., Walther C., Masselink W. T. Direct investigation of localized hole states in pseudomoiphic modulation-doped AlxGai.xAs/hiyGai.yAs/GaAs heterostructures by optical detection of quantum oscillations // Phys. Rev. В,- 1998.- V. 58, №8-P. 4733-4739.

3. Zhuchenko Z. Ya., Tarasov G. G., Lavorik S. R., Mazur Yu. I., Valakh M. Ya., Kissel H., Masselink W. T., Müller U., Walther C. Optical characterization of pseudomorphic AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures // Semic. Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics - 1999,- V. 2, №3- P. 103-108.

4. Zhuchenko Z. Ya., Tarasov G. G., Lavorik S. R., Mazur Yu. I., Valakh M. Ya., Kissel H., Masselink W. T., Müller U., Walther C. Many-body effects in photoluminescence of heavily doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures // Semic. Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 1999,- V. 2, № 4P. 5-9.

5. Zhuchenko Z. Ya., Mazur Yu. I., Tarasov G. G., Kissel H., Müller U., Walther C., Masselink W. T. Magnetooptical study of strained quantum well heterostructures AlGaAs/InGaAs/GaAs // Праці Міжнар. ІПколи-конф. з актуальних питань фізики напівпровідників.- Дрогобич (Україна).- 1999.- С. 43.

6. Lavorik S. R., Zhuchenko Z. Ya., Tarasov G. G., Valakh M. Ya., Mazur Yu. I., Masselink W. T., Kissel H., Müller U., Walther C. Photoluminescence and Raman spectroscopy of InGaAs quantum well in pseudomorphic modulation-doped

Al xGa^xAs/IiiyGai-yAs/GaAs heterostructures of under-critical layer thickness // Праці Міжнар. Школи-конф. з актуальних питань фізики напівпровідників-Дрогобич (Україна).- 1999,- С. 49.

7. Kissel H., Mazur Yu. I., Müller U., Tarasov G. G., Zhuchenko Z. Ya., Walther C., Masselink W. T. Direct investigation of low-density localized hole states by optical detection of quantumoscillations in AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures // Workbook of 26th Internat. Symposium on Compound Semiconductors - Berlin (Germany).— 1999.- P. P-9.

8. Mazur Yu. I., Tarasov G. G., Kissel H., Müller U., Zhuchenko Z. Ya., Rud’ko G. Yu., Valakh M. Ya.,Malyarchuk V., Walther C., Masselink W. T. Excitation density dependence of Fermi-edge singularity in pseudomorphic modulation-doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures // Workbook of 26th Internat. Symposium on Compound Semiconductors - Berlin (Germany).- 1999 - P. B3-3.

9. Masselink W.T., Kissel H., Müller U., Walther C., Mazur Yu.I., Tarasov G.G., Rud’ko G. Yu., Valakh M. Ya., Malyarchuk V., Zhuchenko Z. Ya. Pseudomorphic modulation-doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures with strong manifestations of many-body effects // Abs. International Conf. “Advanced materials”-Kiev (Ukraine).- 1999,-P. 152.

10. Tarasov G.G., Kissel H., Lavorik S. R., Masselink W.T., Mazur Yu.I., Müller U., Valakh M. Ya., Zhuchenko Z. Ya., Walther C. Optical diagnostics of InGaAs quantum well in pseudomorphic modulation-doped AlxGai.xAs/InyGai.yAs/GaAs heterostructures of under-critical layer thickness // Abs. IV International Conf. OPTDIM.- Kiev (Ukraine).- 1999 - P. 20.

Жученко З.Я. Магнітооптичні та багаточастинкові явища в гетероструктурах на основі квантових ям ІпОаАв з близькими до критичних ширинами. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена вивченню особливостей перебігу магнітооптичних та багаточастинкових явищ в псевдоморфних модульовано легованих гетероструктурах AlxGai.xAsZInyGai.yAs/GaAs з ширинами квантових ям, меншими від критичної. Показано, що відбувається кардинальна зміна характеру та механізму випромінювальної рекомбінації із зміною ширини сі квантової ями МїаАз: від екситоноподібної лінії для квантової ями з й - 20 нм, яка свідчить про високу якість шару ІПуваї-уАв, до широкої смуги зона-зонної рекомбінації із шириною, що складає 16 меВ, для ями із сі = 12 нм. Подібна зміна є свідченням зростаючого розупорядкування в епітаксійному шарі ЫЗаАв із зменшенням сі, пов’язаного, зокрема, із флуктуаціями вмісту індію.

Встановлена кореляція між змінами в спектрах фото- та магнітолюмінесценції та комбінаційного розсіювання світла, що відбиває характер розупорядкування. Показані нові аспекти прояву багаточастинкових ефектів, зокрема ферміївських крайових сингулярностей, в сильно легованих гетероструктурах. Вперше спостерігалось зародження таких сингулярностей та їх еволюція із зростанням рівня оптичного збудження, що інтерпретовано в рамках моделі резонансу Фано між екситонними станами та елементарними збудженнями континууму ферміївського моря.

Ключові слова: гетерострукгура, двовимірний електронний газ,

фотолюмінесценція, комбінаційне розсіювання світла, оптична характеризація, багаточастинкові ефекти, локалізація, квантова яма, критична товщина.

Zhuchenko Z.Ya. Magnetooptical and many-body phenomena in heterostructures based on InGaAs quantum wells possessing close to the critical widths. -Manuscript.

Thesis for candidate’s degree in Physics and Mathematics in the speciality 01.04.07.- Solid State Physics.- Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2000.

Pseudomoiphic strained-layer AlxGai_xAs/InyGai_yAs/GaAs heterostructures have been studied by means of photoluminescence (PL), magnetoluminescence (ML) and Raman scattering (RS). Peculiarities of PL spectra are observed for heterostructures with x = 0.2, у = 0.1, possessing the under critical quantum well (QW) width. In particular, the character of PL spectra dramatically depends on the QW width, changing from excitonic-like in wider wells to two-dimensional (2D) electron-heavy-hole band transitions in narrower QW’s. Low-energy structure in the PL is weakly observed in the InyGai_yAs QW and interpreted in terms of a 2D electron gas -hole bound to acceptor transitions. Direct investigation of localized hole states in the heterostructures under investigation is performed by optical detection of quantum oscillations (ODQO). The valence-band structure is investigated using a magnetic method for probing the electronic structure in 2D heterostructures through the ODQO. For structures with narrow InyGai_yAs QW’s (c/ <15 nm), the quantum oscillations with the Fermi sea reveal two distinct periods in 1/B. This behavior is attributed to the existence of two classes of hole localization: a shallow one, primarily resulting in hole scattering, and a deep localization resulting in a 10-meV shift in the ODQO. In wider InyGai_yAs QW’s (t/ =15 nm), where the two-period behavior begins to disappear, excitonic luminescence is observed in addition to the 2D-electron features. This excitonic contribution strongly modifies the development of PL signature into Landau-level fan. For heavily doped heterostructures with у = 0.19 a fundamental change of the PL spectrum under excitation density increase is ascribed to the appearance of the Fermi-edge singularity (FES). The high energy tail of the PL undergoes principal transformation caused by repelling the FES and the excitonic states. This latter effect is interpreted in terms of Fano resonance developing between the continuum of Fermi sea pair excitations and the excitonic states pinned to the n - 2 electron level of 2D

conduction band. Strong phonon side-bands observed in the ML, which undergo the substantial modification under temperature and excitation density elevation, are described in terms of enhanced FrOhlich coupling in confined systems. RS spectra from the investigated heterostructures give evidence for appearance of InGaAs longitudinal acoustic phonon, nominally forbidden in the backscattering geometry, caused by to available QW disordering. The correlation between PL and RS spectra observed experimentally gives good possibility for reliable nondestructive characterization of AlxGai_xAs/InyGai_yAs/GaAs heterostructures even at room temperature.

Keywords: heterostructure, two dimensional electron gas, photoluminescence, Raman scattering, optical characterization, many-body effects, localization, quantum well, critical thickness

Жученко З.Я. Магнитооптические и многочастичные эффекта в гетероструктурах на основе квантовых ям InGaAs с близкими к критическим ширинами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена изучению особенностей протекания магнитооптических и многочастичных эффектов в псевдоморфных гетероструктурах AlxGai_xAs/InyGai_yAs/GaAs с модулированным легированием, ширины квантовых ям которых меньше критической. Показано, что происходит кардинальное изменение характера и механизма излучательной рекомбинации с изменением ширины d квантовой ямы InGaAs: от экситоноподобной линии для квантовой ямы с d = 20 нм, что свидетельствует о высоком качестве слоя InGaAs, до широкой полосы зона-зонной рекомбинации с шириной, которая составляет 16 мэВ, для ямы с d = 12 нм. Подобное изменение свидетельствует о возрастающем разупорядочении эпитаксиального слоя InGaAs при уменьшении d, связанным, в частности, с флуктуациями содержания индия. Установлена корреляция между изменениями в спектрах фотолюминесценции, магнитолюминесценции и комбинационного рассеяния света, что отображает характер разупорядочения. Показаны новые аспекты проявления многочастичных эффектов, в частности, фермиевских краевых сингулярностей в сильно легированных гетероструетурах. Впервые наблюдалось зарождение таких сингулярностей и их эволюция с возрастанием уровня оптического возбуждения, что интерпретировано в рамках модели резонанса Фано между экситонными состояниями и элементарными возбуждениями фермиевского моря.

Ключевые слова: гетероструктура, двумерный электронный газ,

фотолюминесценция, комбинационное рассеяние света, оптическая характеризация, многочастичные эффекты, локализация, квантовая яма, критическая толщина.

Підписано до друку 16.12.99 р. Формат 60x90/16. Ум. друк. арк. 0,9. Обл.-ввд. арк. 0,9.

Наклад 100. Зам. 504.

м. Київ-5, вул. Червоноармійська, 57/3, к.201. Видавництво “Науковий світ” 227-41-23,294-71-27