Магнитооптика неравновесной электронно-дырочной системы в одноосно деформированном Ge и гетероструктурах Ge/Ge1-хSiх тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

На правах рукописи

ЧЕРНЕНКО Александр Васильевич

МАГНИТООПТИКА НЕРАВНОВЕСНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ СИСТЕМЫ В ОДНООСНО ДЕФОРМИРОВАННОМ ве И ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ

Се/Св!-^*

Специальность 01.04.07. - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1997

Работа выполнена в Институте физики тведого тела РАН.

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, профессор В.Б. Тимофеев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук H.H. Сибельдин кандидат физико-математических наук В.М. Эделыптейн

Ведущая организация: Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

заседании специализирован! совета Д 003.12.01 в Институте физики твердого тела РАН (142432, Московская область, п. Черноголовка).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела РАН.

Защита состоится

и

5- ¿¿А

ЬжРлЛ- 1998 года в ¿О ' часов на

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета доктор

физико-математических наук

Зверев В. Н.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. В полупроводниках Боровский радиус экс-птона может превышать постоянную решетки более чем на порядок, благодаря малым величинам масс электронов и дырок. Это означает, что экситон представляет собой макроскопическое образование, аналогичное атому, что позволяет описывать энергетический спектр эксито-на в приближении эффективной массы. Так же как и атомы, экситоны взаимодействуют между собой и могут образовывать экситонные молекулы и конденсироваться в жидкую фазу - электронно-дырочную жидкость (ЭДЖ).

Исследование коллективных эффектов в экситонной системе является одним из актуальных направлении физики твердого тела.

Экситоны в сильно одноосно деформированном Се предоставляют для этого уникальную возможность. Се - непрямой полупроводник, время жизни неравновесных носителей в котором гораздо больше времени их тепловой релаксации. В этих условиях электронно-дырочная (ЭД) система успевает остыть до температуры, близкой к температуре кристаллической решетки. Это позволяет говорить о термодинамически квазправновесной ЭД системе. С увеличением деформации закон дисперсии дырок, весьма сложный в недеформированном Се, все более приближается к параболическому из-за расщепления ранее вырожденных уровней в валентной зоне. Кроме того, соотношение времен жизни и времени спиновой релаксации в деформированном ве позволяет добиться спиновой ориентации экситонов магнитным полем. В пределе высокого давления одноосно деформированный Се наиболее близок к модели идеального полупроводника с невырожденными зонами и квадратичным законом дисперсии. Ожидается, что основным состоянием

электронно-дырочной системы в таком идеальном полупроводнике при Г —> 0 является бозе-конденсат биэкситонов. Но при понижении температуры и увеличении плотности взаимодействие между экситонами становится существенным и бозе-конденсации экситонов препятствует их конденсация в электронно-дырочную жидкость [1, 2].

Ранее было найдено, что одноосная деформация Ge вдоль оси, отклоняющейся от [100] на 3 — 5 градусов (обозначим ее 100]), позволяет наиболее сильно уменьшить энергию связи и плотность ЭДЖ и получить рекордно высокую плотность газа экситонов [3]. Линия люминесценции ЭДЖ при этом становится не видна в спектре на фоне линий свободных экситонов и биэкситонов. В газе экситонов высокой плотности, спин-ориентированных магнитным полем, наблюдалось сужение линии люминесценции экситонов при увеличении лазерной накачки, связанное с проявлением квантово-статистических свойств газа экситонов [4]. Исследование ЭДЖ малой плотности в Ge[~ 100] показало, что ее стабильность по отношению к газу экситонов уменьшается в магнитном поле до 1 Тл [3]. При дальнейшем увеличении магнитного поля энергия связи ЭДЖ проявляла тенденцию к росту, однако вопрос о стабильности ЭДЖ по отношению к газу экситонов в более сильном магнитном поле остался открытым. Уменьшение энергии связи ЭДЖ открывало бы возможность получения газа экситонов еще большей плотности и продвижения в сторону их бозе-конденсации.

Отметим также, что в ряде теоретических работ предсказывается возможность образования в сильном магнитном поле (в пределе В —> со) стабильной экситонной молекулы, состоящей из двух спин-ориентированных экситонов [5, 6].

Гетероструктуры на основе Ge/Si представляют из себя новый класс двумерных структур, интерес исследователей к которым быстро

растет. Это связано, в первую очередь, с перспективой интегрирования новых полупроводниковых приборов на их основе в традиционную Si мнкротехнологию.

Кроме того, структуры на основе Ge/Si перспективны для исследования коллективных эффектов в газе квазидвумерных экситонов. Значительно меньшая по сравнению со структурами на основе соединений А3В5 скорость излучательной рекомбинации позволяет рассчитывать на большие времена жизни экситонов Ю-5 — 10~6 с) и получение квазидвумерной экситонной системы с температурой, близкой к температуре кристаллической решетки.

Недавно появилось сообщение о наблюдении линии, соответствующей рекомбинации квазидвумерного биэкситона в спектре люминесценции квантовой ямы Si/SiGe/Si [7]. Хотя данных о существовании ЭДЖ в структурах на основе SiGe до сих пор не было, расчет энергии связи квазидвумерной ЭДЖ в квантовой яме SiGe/Ge/SiGe на подложке Ge(100) указывает на то, что ЭДЖ стабильна по отношению к газу экситонов и биэкситонов при любой толщине квантовой ямы [8]. Согласно расчету, квазидвумерная ЭДЖ в этих структурах должна обладать достаточно большой энергией связи по отношению к газу экситонов ~ 0.6 мэВ.

Фотолюминесценция является одним из основных методов исследования ЭД системы и коллективных эффектов в ней. В то время как спектры люминесценции гетероструктур SiGe/Si хорошо изучены, спектры люминесценции гетероструктур Ge/GeSi исследованы менее детально. В связи с этим изучение спектров люминесценции гетероструктур Ge/GeSi представляется важной и актуальной задачей.

Целью работы при исследовании электронно-дырочной системы в одноосно деформированном Ge было выяснение вопроса о стабиль-

ности ЭДЖ по отношению к газу экситонов в условиях сильной одноосной деформации и ее изменении в магнитном поле.

Целью исследования магнитолюминесценции гетероструктур Се/Э1Се являлось определение природы наблюдаемых в спектре люминесценции линий.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:

1) Металлическая ЭДЖ в одноосно деформированном 100] стабильна вплоть до давлений Р~ 3 кбар (расщепление уровней в валентной зоне ~ 14 мэВ).

2) Магнитное поле стабилизирует металлическую ЭДЖ в одноосно деформированном Се по отношению к газу экситонов, начиная с полей, для которых параметр 7 = Ни>с/2В,у ~ 1 (Ншс - сумма циклотронных энергий электронов и дырок, Яу - энергия связи экситона в отсутствие магнитного поля). С ростом магнитного шля увеличиваются ее плотность и энергия связи.

3) Наблюдаемые в спектре люминесценции гетероструктур Се/Се^вгт линии связаны с рекомбинацией свободных и связанных на примесях экситонов в слоях Се. Наблюдаемое смещение фиолетового края линии люминесценции в магнитном поле обусловлено диамагнитным поведением квазидвумерных экситонов.

Научная и практическая ценность работы. Исследования электронно-дырочной системы в одноосно деформированном Се позволяют сделать вывод о том, что уже достаточно слабое магнитное поле (7 ~ 1) стабилизирует металлическую фазу по отношению к диэлектрической. Этот важный факт необходимо учитывать при дальнейших исследованиях коллективных эффектов в неравновесной ЭД системе в полупроводниках.

Исследования магнитолюминесценции гетероструктур Ge/Gei_ISij;, проведенные в данной работе впервые, показали эффективность этого метода для изучения свойств данных структур. Измерения магнитолюминесценции позволили определить ряд параметров гетероструктур, важных как для совершенствования технологии их роста, так и для дальнейших фундаментальных исследований.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Второй Российской Конференции по Физике Полупроводников (Зелено-горек, 1996), 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (С.-Петербург, 1996), 10th International Conference on Superlattice, Microstructures and Microdevices (Lincoln, Nebraska, USA, 1997).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Содержание диссертации.

Введение. Во введении объясняется выбор темы диссертации, обосновывается ее актуальность, сформулированы цели работы и основные результаты. Описана структура диссертации и ее содержание. Глава первая представляет собой обзор основных результатов исследований неравновесной электронно-дырочной системы в Ge. В первой части главы подробно рассмотрены экспериментальные и теоретические работы, посвященные исследованию ЭДЖ в Ge и влиянию на ее свойства одноосной деформации.

Особое внимание уделено исследованием ЭД системы в Ge, деформированном вдоль несимметричного направления 100]. Одноосная деформация вдоль этого направления позволяет наиболее значительно уменьшить энергию связи и плотность ЭДЖ, получить газ экситонов высокой плотности и изучить свойства экситонных молекул - биэкси-

тонов.

Вторая часть первой главы представляет из себя краткий обзор работ, посвященных влиянию магнитного поля на неравновесную ЭД систему в ве. В силу малых масс электронов, дырок и малой энергии связи эк-ситона в Се магнитное поле уже в несколько тесла заметно влияет на свойства ЭДЖ. Исследования ЭДЖ в Се в магнитном поле 1 — 3 Тл позволяют наблюдать квантовые осцилляции различных ее параметров. В этой части главы приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований ЭДЖ, экситонов и биэкситонов в Се в магнитном поле.

Отдельно рассмотрены теоретические работы, посвященные свойствам ЭДЖ в пределе сильного поля. Теория предсказывается увеличение энергии связи ЭДЖ по отношению к газу экситонов, рост ее плотности и энергии основного состояния [9].

Во второй главе описаны экспериментальные методы, использованные в работе.

В первой части главы описана методика исследования магнитолюми-несценции одноосно деформированных кристаллов Се и гетерострук-тур Се/Се^гЭ^.

Во второй части главы рассмотрена методика создания одноосной деформации кристаллов Се. Подробно описана экспериментальная установка для оптических исследований одноосно однородно деформированных кристаллов Се.

Методика сильной одноосной деформации кристаллов Се с высокой степенью однородности была предложена ранее И.В. Кукушкиным [10]. Для этого была создана механическая конструкция, главными элементами которой были латунные обойма и двигающийся в ней поршень. Обойма и поршень были тщательно пригнаны друг к

другу так, что поршень мог двигаться в обойме без толчков и проскальзываний только при прикладывании к нему усилия больше 10 Н. Образец Се, вырезанный в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами 2.5 х 2.5 х 10 мм, фиксировался на латунной подставке. Для получения высокой однородности деформации между поршнем и образцом и образцом и подставкой помещались 1 — 2 прокладки из припоя ПОС-45. Образец Се вдавливался в прокладки на 0.2 — 0.5 мм при комнатной температуре. После этого вся конструкция помещалась в жидкий гелий. Только при такой последовательности действий удается добиться высокой однородности деформации (< 2%) при большой величине внешнего приложенного к кристаллу давления Р > 1 кбар.

Отличительной чертой нашей методики является возможность проводить оптические измерения одноосно деформированных кристаллов Се в криостате без оптических окон. Достигается это использованием световода для подведения возбуждающего света и сбора сигнала люминесценции. Для этого в обойме была сделана проточка-паз для световода. Окончание световода изгибалось и упиралось в маленькое зеркало так, чтобы отраженный от зеркала луч падал перпендикулярно грани образца. Сигнал люминесценции собирался тем же световодом.

Третья глава посвящена изучению свойств ЭДЖ и экситонов в одноосно деформированном Се в магнитном поле.

В первой части третьей главы подробно рассмотрен вопрос о влиянии одноосной деформации на зонную структуру Се и спектры электронов и дырок. Приведен алгоритм вычисления величины внешнего давления по сдвигу положения линии люминесценции экситона для произвольного направления деформации. Зная величину приложенного к кристаллу давления можно легко найти плотность состояний в

валентной зоне. Согласно [11], обменно-корреляционная энергия на одну ЭД пару в ЭДЖ слабо зависит от параметров зонной структуры. Таким образом, влияние деформации на плотность и энергию связи ЭДЖ сводится к изменению кинетической энергии на одну ЭД пару при фактически неизменной обменно-корреляционной энергии.

Следуя Кельсо [12], величину массы плотности состояний т^ для любой внешней одноосной деформации можно представить как функцию от величины Е' = Е/Р, где Е - энергия, отсчитываемая от дна валентной зоны. Универсальная зависимость т^(Е') находится численным интегрированием выражения

Ь3 г , о ¿к

— [ кЧП-?! 1/2 У ,

4ч/2тгЕ'1/2 У ¿Еп Плотность состояний в валентной зоне для любой деформации пред-стваляется в виде

а средняя кинетическая энергия на одну дырку -

Л?ЕР{Е)йЕ н {¡¡°0{Е)(1Е '

Пользуясь универсальным выражением для обменно-корреляционной

энергии [11]

А0гв + Ах

&ХС —

7-2 + А2Гя + Л3'

можно легко найти зависимость плотности и энергии связи ЭДЖ от давления. Например для Се[~ 100] в пределе бесконечного давления п0 ~ 0.95 х 1016 см"3.

Во второй части рассматривается газ экситонов в одноосно деформированном Се в магнитном поле. В сильно одноосно деформированном Се легко достигаются условия, когда параметр 7 = Кис/Яу > 1; для

Ge[~ 100] это происходит при В > 2.9 Тл. В ряде работ предсказывается стабилизация триплетного биэкситона в сильном магнитном поле [5, 6]. Поскольку предел сильного поля трудно определим, интересно оценить его достижимость для экситонов в одноосно деформированном Ge.

Экситон в сильном магнитном поле становится похож на вытянутую вдоль поля иглу. При этом возрастет его квадрупольный момент. Согласно [5,6], взаимодействие квадрупольных моментов экситонов Q, наряду с углублением ван-дер-ваальсового минимума, стабилизируют триплетный биэкситон в сильном магнитном поле. Расчет величины квадрупольного момента был выполнен вариационным методом, описанным в [13]. В силу симметрии, расчет значительно упрощается для Ge, деформированного вдоль симметричного направления [111]. Расчет дает качественно согласующуюся с экспериментальными значениями величину диамагнитного сдвига линии экситона, что является проверкой его корректности. Массы дырок для расчета брались в пределе бесконечной деформации. Для получения соответствия между расчетными значениями энергетического сдвига и экспериментальными данными оказалось необходимым выбрать ^-фактор дырок в экситоне равным —8, что заметно больше экспериментально определенного в [14] д ~ —4. Возможно, что различие связано с вкладом непараболично-сти закона дисперсии дырок в плотность состояний в валентной зоне, что влияет как на их массу, так и на значения ^-фактора. Вариационный расчет показал, что с ростом В величина квадрупольного момента увеличивается лишь в 2 раза в поле до 3 Тл а затем уменьшается. Поскольку глубина ван-дер-ваальсового минимума в магнитном поле до 14 Тл изменяется незначительно, для образования связанного состояния двух спинориентированных экситонов необходимы существенно

большие магнитные поля.

Третья часть третьей главы посвящена исследованию ЭД системы в одноосно деформированном вдоль оси 100] ве в магнитном поле до 14 Тл. При гелиевых температурах в спектре люминесценции неде-формироваяного германия присутствует только линия ЭДЖ. Линия люминесценции экситонов не видна в спектре люминесценции из-за их малой плотности. При прикладывании одноосной деформации вдоль оси 100] в спектре возникают и быстро возгораются линии люминесценции экситонов и биэкситонов. По мере увеличения давления линия ЭДЖ становится уже, ее интенсивность падает, а максимум приближается к линии люминесценции экситона. При Р > 1 — 1.2 кбар линия ЭДЖ становится не видна в спектре на фоне линий экситона и биэкситона. Анализ отношения интенсивностей запрещенной и разрешенной компонент спектра люминесценции, проведенный в [3], указывал на то, что в этих условиях ЭДЖ все же стабильна по отношению к газу экситонов. Тем не менее этот вывод требовал дополнительных обоснований.

Плотность газа экситонов опрелелялась в работе из отношения интенсивностей линий экситона и биэкситона (¡Ыех/Ьх = 2.3Щ{ех/пех) и равенства их химических потенциалов 2^ех = ц^ех- Максимальная величина пех, достигнутая в наших экспериментах, оказалась равной 2.2 х 1015 см-3. Температура ЭД системы определялась по полуширине линии люминесценции экситонов, которая для невырожденного газа есть 1.8кТ. Величина давления, прикладываемого к кристаллу, определялась по смещению линии экситона. По уширению этой линии также оценивалась степень неоднородности приложенной деформации. При максимальном давлении ~ 3 кбар она не превосходила 2%. Включение магнитного поля приводит к дестабилизации экситон-

ной молекулы [14]. В магнитном поле большем 4 Тл линия люминесценции биэкситона исчезает из спектра. В большем магнитном поле с низкоэнергетической стороны от линии биэкситона становится видна "подставка" - пологая протяженная полоса без четко выраженного максимума. Ширина этой "подставки" заметно больше ширины линии экситона. С ростом магнитного поля ширина "подставки" растет и подставка оформляется в линию X. Ее максимум смещается с полем в сторону меньших энергий от линии экситона. Одновременно возрастает интегральная интенсивность линии. Для выяснения природы линии X было исследовано ее поведение при изменениях магнитного поля, накачки, температуры и давления.

Интенсивность линии X росла при увеличении накачки Ыс1:УАС лазера (энергия фотона Ни ~ 1.16 мэВ), за исключением случая самой сильной накачки ~ 100 Вт/см-3. Последнее связано с перегревом ЭД системы при столь интенсивной накачке. Перегрев сильно возрастал если для возбуждения образца использовалось излучение Аг+-лазера (ки ~ 2.5 мэВ). В этом случае интенсивность линии X фактически не изменялась на фоне увеличения интенсивности линии экситонов.

Линия X демонстрирует сильную зависимость от величины внеш-

I

него давления. При снятии давления интенсивность и ширина линии X быстро растут и при Р < 0.8 - 1 кбар переходят в легко идентифицируемую при малых деформациях линию ЭДЖ.

При увеличении температуры линия X пропадала из спектра пороговым образом. Для магнитного поля В = 7 Тл и давления Р = 1.5 кбар величина критической температуры Т ~ 2.9 К.

Из спектров люминесценции следует, что линия ЭДЖ при малых деформациях и линия X изменяются одинаково при вариации различных параметров (температуры, давления, магнитного поля, накачки).

Отсюда мы сделали вывод о том, что линия X соответствует люминесценции металлической ЭДЖ.

Для того, чтобы получить зависимость плотности ЭД пар и энергии связи ЭДЖ, мы проанализировали форму линии люминесценции ЭДЖ. Она представлялась в виде свертки плотностей состояний электронов и дырок магнитном поле, умноженных на фермиевские функции. Чтобы учесть конечность времен жизни электронов и дырок, мы ввели уширение энергетических уровней в виде:

При этом полагалось, что параметр Г зависит от энергии следующим образом [15]:

Epc/Eph = Гео/Гло, где Ере и Ери ~ фермиевские энергии электронов и дырок. Массы и g-факторы дырок выбирались разными их значениям для свободных частиц в пределе бесконечной деформации. Варьируемыми параметрами были плотность ЭДЖ и параметр Го. Температура ЭДЖ принималась равной температуре газа экситонов. Анализ линии ЭДЖ был проведен для спектров, записанных при максимальной величине деформации, приложенной к кристаллу ~ 3 кбар. В этом случае оправдан сделанный выбор значений масс и ^-факторов. Удовлетворительно описать форму линии люминесценции ЭДЖ оказалось возможным приняв, что под уровнями Ферми электронов и дырок находится по одному уровню Ландау. При этом плотность ЭДЖ neh возрастала в интервале 5.5 -14 Тл от 1.25 X1016 см-3 до 3.6 х 1016 см-3. Анализ формы линии люминесценции показал, что энергия связи ЭДЖ

оо

D;A(E,B)=jL(E,E')D(E',B)dE'

о

также увеличивается с ростом магнитного поля в интервале 5.5 — 14 Тл от 0.4 ±0.1 мэВ до 0.8 ±0.1 мэВ. Для адекватного описания формы линии люминесценции ЭДЖ и, главным образом, ее красного хвоста, параметр Го оказалось необходимым выбирать большим соответствующих энергий Ферми электронов и дырок. Это, вообще говоря, противоречит условию корректности одночастичного описания Т/Ер <С 1. Аналогичные сложности при описании формы линии люминесценции ЭДЖ в одноосно деформированном Ge[~ 100] в отсутствие магнитного поля были отмечены ранее И.В. Кукушкиным [16]. Подбирая определенным образом плотность лазерной накачки ему удалось выделить линию в районе красного хвоста, связанную с рекомбинацией ЭД пар, сопровождающейся испусканием плазмона, и таким образом объяснить природу красного хвоста линии люминесценции ЭДЖ. В условиях нашего эксперимента выделить эту линию в спектре явно нам не удалось ни при каких условиях. Этим объясняется выбор одночастичного описания формы линии ЭДЖ. Несмотря на указанные сложности, использованный подход дает адекватные значения плотности и энергии связи, поскольку оказалось, что neh и ф слабо зависят от параметра Го', при изменении Го от 0.1 до 3 величина пе/, уменьшается меньше, чем на 10%; ф зависит от Го еще слабее. Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что, во-первых, металлическая ЭДЖ стабильна в одноосно деформированном Ge[~ 100] вплоть до давлений ~ 3 кбар, и, во-вторых, что энергия связи и плотность ЭДЖ растут с магнитным полем.

Четвертая глава посвящена изучению магнитолюминесценцип гете-роструктур Gei-rSi*.

В первой части главы дается краткий обзор работ, посвященных исследованию люминесценции двумерных структур на основе SiGe. От-

мечены достижения в создании полупроводниковых приборов на основе SiGe.

Во второй части рассматривается влияние встроенной деформации на спектры электронов и дырок в псевдоморфной гетероструктуре Ge/GeSi, выращенной на подложке Ge(lll).

Законы дисперсии электронов и дырок в слоях Ge в рассматриваемых гетероструктурах такие же как в объемном Ge, подвергнутом одноосному растяжению вдоль оси [111]. Растяжение приводит к расщеплению вырожденных уровней энергии в валентной зоне и зоне проводимости. В силу симметрии дно зоны проводимости образуют три эквивалентные долины. Дно четвертой долины лежит заметно выше по энергии. В валентной зоне деформация и размерное квантование приводят к значительному расщеплению уровней (десятки мэВ) в точке к = 0. Поскольку расщепление энергетических уровней в гетерослоях зависит от ширин слоев Ge, твердого раствора, и х, то при различном соотношении этих параметров сверхрешетка Ge/GeSi может быть как I, так и II типа с минимумами зоны проводимости в L- или Д- точках [17].

Третья часть главы 4 посвящена исследованию магнитолюминесцен-ции гетероструктур Ge/ Gej_^Six с целью определения природы наблюдаемых в спектре линий и выяснения возможности образования квазидвумерного биэкситона в рассматриваемых структурах.

В работе изучались спектры магнитолюминесценции двух гетероструктур с параметрами: гетероструктура #1 - толщина слоев Ge dee = 210 А, период решетки D = 530 А, число периодов N = 72, х = 12.3%, период кристаллической решетки в плоскости слоев а = 5.638 А; гетероструктура #2 - dGe = 120 A, D = 420 А, N = 262, х = 14%, о = 5.628 А. Эквивалентное растяжение слоев Ge в гетероструктурах

#1 - Р ~ 5.8 кбар, #2 - Р ~ 8.5 кбар. Размерное квантование и растяжение приводят к межподзонному расщеплению в валентной зоне 20 — 30 мэВ. Исследование данных гетероструктур позволило авторам работ [18, 19] сделать вывод о том, что они принадлежат к структурам типа I. Это также подтверждают расчеты энергетических спектров данных структур.

Спектр люминесценции исследуемых гетероструктур состоит из линии непрямой безфононной рекомбинации квазидвумерных электронов и дырок (ЫР-линии) и ее ЬА-фононного повторения - линии люминесценции, сопровождающейся испусканием ЬА-фонона. На основании изучения спектров люминесценции авторы [18] сделали вывод о том, что наблюдаемые линии имеют сложную природу и состоят из линий свободных и связанных на примесях экситонов из слоев Се. Отдельно эти линии в спектре люминесценции не разрешались. Это утверждение основывалось, во-многом, на аналогии между спектрами люминесценции исследуемых структур и хорошо изученными спектрами гетероструктур 81/81Се и нуждалось в дополнительном обосновании.

Исследование магнитолюминесценции с целью выяснения природы наблюдаемых линий могло оказаться полезным, поскольку величина диамагнитного сдвига связанных состояний эксптона зависит от размера области его локализации.

Линии, доминирующие в спектре люминесценции исследуемых гетероструктур, складываются из линий рекомбинации электронов и дырок, принадлежащих разным слоям Се. Оказалось, что в присутствии магнитного поля линии люминесценции из слоев, слегка различающихся по ширине, по-разному зависят от накачки. Это позволило выделить их на фоне результирующей линии и оценить величину разброса ширины слоев Се Д Ьг ~ 2 — 5 А (1 — 3 монослоя), являющуюся важным

параметром, характеризующим технологию (газовую гидридную эпи-таксию) и особенности роста гетероструктур.

Наши исследования спектров люминесценции в параллельном и перпендикулярном магнитном поле показали, что утверждения о составном характере линий люминесценции действительно оправдало. Оказалось, что ширина наблюдаемых линий растет с магнитным полем. Связав величину сдвига высокоэнергетического края линий люминесценции с диамагнитным сдвигом линий люминесценции экситонов из слоев Ge, мы получили значения диамагнитной восприимчивости экситонов. Величины ¿(-факторов электронов и дырок в экситоне принимались равными их значениям для свободных электронов и дырок в Ge растянутом вдоль оси [111]. При этом g-фактор дырок имеет только компоненту вдоль нормали к двумерным слоям [111], дк — —6. Решив систему из двух уравнений относительно неизвестных хц и Хх мы на~ шли, что xi — 0.04 мэВ/Тл2, Х|| — 0-03 мэВ/Тл2. Из соотношения Хзd/xw = (г2) /2а?в [20] следует, что размер локализации квазидвумерного экситона в плоскости ямы У(г2) ~ 80 А.

В заключении работы сформулированы основные результаты, которые состоят в следующем:

1. Создана методика измерения люминесценции одноосно и однородно деформированных кристаллов Ge с использованием световод-ной техники.

2. Показано, что линия X, возникающая в спектре люминесценции ультрачистых кристаллов Ge, сильно сжатых вдоль направления [~ 100], соответствует люминесценции металлической электронно-дырочной жидкости.

3. Установлено, что магнитное поле способствует росту энергии свя-

зи и плотности ЭДЖ в Ge[~ 100] начиная с полей, для которых 7 ~ 1. Получена зависимость энергии связи и плотности ЭДЖ от В в интервале 5 — 14 Тл.

4. Исследована люминесценция гетероструктур Ge/Gei^Six в магнитном поле до 14 Тл. Показано, что свойства наблюдаемых линий люминесценции объясняются на основе представления о свободных п связанных на примесях экситонах из слоев Ge. По величине диамагнитного сдвига получена оценка размера экситона в плоскости ямы ïj(r'2) ~ 80 Â. Оценен разброс значений ширины слоев Ge ALZ ~ 2 — 5 Â (1 — 3 монослоя).

* Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Б.Тимофеев, А.В.Черненко "Сппн-ориентированные экситоны в одноосно деформированном Ge в сильном магнитном поле" Письма в ЖЭТФ 61, 603 (1995).

2. А.В. Черненко "Вставка для оптических исследований одноосно деформированных кристаллов полупроводников", ПТЭ 5, 171 (1996).

3. А.В. Черненко, В.Б. Тимофеев " Стабилизация электронно-дырочной жидкости в одноосно деформированном Ge в сильном магнитном поле" ЖЭТФ 112, 1091 (1997).

A- A.V. Chernenko, N.G. Kalugin, О.А. Kuznetsov, Z.F.Krasilnik "Magnetoluminescence of Ge/GeSi Structures: Nature of Lines and Rôle of Interface Roughness", Phys. Low-Dim. Struc. 1, 8 (1998).

9

Список литературы

[1] JI.B. Келдыш "Коллективные свойства экситонов в полупроводниках" в "Экситоны в полупроводниках" М. Наука, 1971, 5.

[2] Ya. Pokrovskii "Condensation of Non-Equilibrium Charge Carriers in Semiconductors", Phys.Stat.Sol. (a) 11, 385 (1972).

[3] И.В. Кукушкин, В.Д. Кулаковский "Электронно-дырочная жидкость малой плотности в одноосно сжатом Ge", ЖЭТФ 82, 900 (1982).

[4] V.B. Timofeev, I.V. Kukushkin.V.D. Kulakovskii "Spin aligned excitonic gas in uniaxially strained Ge", Physica В 117-118, 327 (1983).

[5] Г.В. Годиак, Ю.Е. Лозовик, М.С. Обрехт "Биэкситон в сильном магнитном поле", ФТТ 25, 1063 (1983).

[6] A.V. Korolev, М.А. Liberman "Binding energy and triplet-singlet splitting for hydrogen molecule in ultrahigh magnetic fir Ids", Phys.Rev. A, 45, 1762 (1992).

[7] T.W. Steiner, L.C. Lenchychyn, M.L.W. Thewalt et al., "Visible photoluminescence from biexcitons in Sii.^Ge* quantum wells", Sol.St.Comm. 89, 429 (1994).

[8] D.A. Kleinman "Binding energy of electron-hole liquid in quantum wells", Phys.Rev. В 28, 871 (1983).

[9] JI.B. Келдыш, Т.А. Онищенко "Электронно-дырочная жидкость в сверхсильном магнитном поле", Письма в ЖЭТФ 24, 70 (1976).

[10] И.В. Кукушкин, В.Д. Кулаковский, В.Б. Тимофеев "Излучение экситонных молекул в одноосно сжатом Ge", Письма в ЖЭТФ, 32, 280 (1980).

[11] P. Vashishta, R.K. Kalia "Universal behavior of exchange-correlation energy in electron-hole liquid", Phys.Rev. В 25, 6492 (1982).

[12] S.M. Kelso "Energy- and stress-dependent hole masses in germanium and silicon", Phys.Rev. В 25, 1116 (1982).

[13] C.M. Дикман, B.M. Жилин, И.А. Лебедева "Доноры в сильном магнитном поле и упругий магнитопримесный резонанс в алмаюподобных полупроводниках", ЖЭТФ 112, 975 (1997).

[14] В.Д. Кулаковский, И.В. Кукушкин, В.Б. Тимофеев "Экситоны и экситонные молекулы в шшоосно деформированном Ge в магнитном поле", ЖЭТФ 81, 684 (1981).

[15] А.А. Абрикосов, Л.П. Горькое, И.Е. Дзялошинский "Методы квантовой теории поля в статистической физике", М.Физматгиз, 1962.

[16] И.В. Кукушкин "Рекомбинаднонное излучение ЭДЖ с участием плазмона в одноосно деформированном Ge", ЖЭТФ 84, 1840 (1983).

[17] В.Я. Алешкин, Н.А. Бекин " Спектры электронов и дырок и правила отбора для оптических переходов в гетероструктурах Gei_xSir/Ge", ФТП 31, 171 (1997).

[18] L.K. Orlov, V.Ya. Aleshkin, N.G. Kalugin et al. "Exciton luminescence in Ge-Gei-jSi, maltiple-quantum well structures", J.Appl.Phys. 80, 415 (1996).

[19] Н.Г. Калугин, JI.K. Орлов, O.A. Кузнецов "Наблюдение 2D-3kchtohhoh люминесценции в слоях германия периодических гетероструктур Gc-Gei_tSix", Письма в ЖЭТФ, 58, 197 (1993).

[20] W. Ossau, В. Jake!, Е. Bangert et al. "Magncto-optical determination of exciton binding energy in GaAs quantum wells", Surf.Sci. 1Г4, 188 (1986).