Поляризационные оптические явления в полупроводниках со сложной структурой зон тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение . ц.

Глава I. Тонкая энергетическая структура мелкого донора ( ) и экситона, связанного на нейтральном доноре ( ) в германии в магнитном поле. Поляризация излучения многоэкситонных комплексов в кремнии в магнитном поле

§ I. Введение

§ 2. Энергетический спектр основного состояния доноров в германии с учетом спина' в магнитном

§ 3. Тонкая структура уровней связанного на нейтральном доноре экситона в германии

§ 4-. Поляризация излучения связанного экситона в ) в продольном магнитном поле

§ 5. Магнитные свойства многоэкситонных комплексов в кремнии

§ б. Линейная поляризация излучения экситонов в продольном магнитном поле в кремнии

Глава 2. Эффект Яна-Теллера в глубоких примесных центрах в полупроводниках.

§ I. Введение

§ 2. Поляризация рекомбинационного излучения, обусловленная глубоким центром, вводимым в арсенид галлия

§ 3. Анизотропное подавление эффекта Яна-Теллера в глубоких примесных центрах в кубических полупроводниках при одноосном давлении

Глава 3. Циркулярный фотогальванический эффект в гиротропных кристаллах.

§ I. Введение

§ 2. Механизм возникновения циркулярного ФГТ при поглощении света свободными носителями

§ 3. Фотогальванический эффект, обусловленный спиновой ориентацией носителей, при оптических переходах между валентными подзонами

Глава Поверхностный ток, зависящий от степени циркулярной поляризации возбуждающего света, в полупроводниках.

§ I. Введение . ЮО

§ 2. Поверхностный фототок в полупроводниках, обусловленный неоднородностью спиновой ориентации электронов

Изучение оптических явлений, существенно зависящих от поляризации света, является эффективным методом современной физики полупроводников. Поляризация излучения отражает симметрию волновых функций электронов и дырок в кристаллах и заполнение ими квантовых состояний, т.е. их ориентацию. В зависимости от соотношения времени жизни Т и времени спиновой релаксации С5 различают равновесное или неравновесное заполнение квантовых состояний. При f » f5 поляризация излучения может возникать в результате равновесного распределения электронов во внешних полях (магнитное или электрическое поле, внешняя деформация), когда засщепленные уровни заполняются в соответствии с их энергией. В случае TS»T заполнение уровней определяется скоростью возбуждения электронов и дырок и носители заряда можно ориентировать при возбуждении их поляризованным светом, при этом образуются состояния с определенным спином. Это явление называется поляризацией (или оптической ориентацией) и возникает при освещении кристалла циркулярнополяризованным светом [27, зо]. При возбуждении экситонов или примесных центров линейнополяризованным светом может происходить выстраивание, т.е. образование состояний с определенным дипольным моментом.

В диссертации рассматриваются обе возможности поляризации носителей, а именно, в первой части рассмотрена линейная или циркулярная поляризация излучения примесных состояний в полупроводниках в присутствии внешнего магнитного поля или одноосной деформации, при Т » ; во второй части рассматривается возникновение электрического тока при оптической ориентации спинов свободных носителей при Т& >> Тр , где Тр - время релаксации импульса.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой' главе исследуется тонкая структура мел ких примесных состояний в полупроводниках со структурой зоны проводимости и валентной зоны типа ft и . В отсутствие внешних воздействий такие состояния многократно вырождены. В этих непрямозонных полупроводниках T>TS , поэтому ориентация связанных на примесях носителей возникает под действием магнитного поля или деформации.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу возможных механизмов линейной поляризации излучения в кристаллах As , легированных медью. Показано, что Си в арсени-де галлия образует анизотропный центр и причиной искажения % -симметрии решетки является эффект Яна-Теллера. В этом случае излучение из каждого центра линейнополяризовано, однако, из-за ориентационного вырождения суммарное излучение в отсутствие внешних полей неполяризовано. Под действием внешней деформации эквивалентность ориентаций нарушается и центры выстраиваются под наименьшими углами к направлению нагрузки. Для носителей заряда на таких центрах Т > Ts , поэтому степень линейной поляризации насыщавтся* когда расщепление уровней внешней деформацией превысит кТ , где к - постоянная Больцмана, Т - температура.

В третьей главе исследуются механизмы оптической ориентации, которые приводят к возникновению пЬстоянного тока, зависящего от степени круговой поляризации возбуждающего света, в гиротропных средах. В таких веществах из-за отсутствия центра инверсии и плоскостей отражения неравновесная стационарная спиновая ориентация носителей вызывает их направленное движение.

В четвертой главе теоретически предсказывается возникновение поверхностного тока в полупроводниковых кристаллах при неоднородной спиновой ориентации носителей. Явления, изучаемые в двух последних главах, обусловлены ориентацией частиц светом при ^ > Тр . таким образом, в диссертации изучается ориентация носителей заряда, которая проявляется в оптических свойствах полупроводников. При этом рассматриваются полупроводники, у которых состояние носителей заряда, либо многократно вырождено, либо расщеплено внутренним полем, обусловленным низкой симметрией кристаллической решетки. К первому типу материалов относится германий, кремний, арсенид галлия, а ко второму - одноосный кристалл теллур.

Практическое значение вопросов, рассмотренных в диссертации, связано с широким использованием оптических и фотогальванических явлений в различных типах полупроводниковых приборов.

Исследование химического сдвига для доноров позволяет провести прецезионный анализ состава и количества примесей в кристалле. Выяснение структуры глубоких центров в таком широ-коиспользуемом материале, как арсенид галлия, позволяет прогнозировать эффективность оптических приборов на основе этого материала. Исследование циркулярного фотогальванического эффекта в теллуре открывает возможности для создания приемников излучения в инфракрасной области частот, чувствительных к поляризации света. Исследование спиновой ориентации носителей электрическими методами позволяют определить времена жизни, спиновой релаксации и рассеяния по импульсу, а именно эти параметры определяют к.п.д. оптоэлектрических преобразователей.

Основные положения, выносимые на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Рассчитана с учетом спина электрона энергетическая структура мелких доноров в германии в магнитном поле. Предсказанная теорией немонотонная зависимость энергии термов от магнитного поля подтверждается на опыте.

2. На основании совпадения теоретически рассчитанной и экспериментально измеренной зависимости степени циркулярной поляризации излучения от магнитного поля доказана правильность оболочечной модели многоэкситонных комплексов в кремнии.

3. Предсказано новое явление, заключающееся в возникновении линейной поляризации излучения экситонов в продольном магнитном поле. Показано, что степень линейной поляризации в такой геометрии определяется ориентацией магнитного поля относительно кристаллографических осей.

Создана модель глубокого анизотропного центра Си в арсениде галлия. Имеющиеся экспериментальные данные объясняются в рамках этой модели, учитывающей взаимодействие дырки на центре с квазилокальными колебаниями.

5. Установлен механизм возникновения фотозде, зависящей от степени циркулярной поляризации света, в сильнолегированных кристаллах теллура р-типа. Из детального сравнения теории и эксперимента оценены неизвестные ранее параметры зонной структуры Те .

6. Указано на новый механизм поверхностного фототока, зависящего от степени циркулярной поляризации падающего света, в полупроводниках. Рассмотренный механизм обусловлен пространственной неоднородностью спиновой ориентации и не связан с отсутствием центра симметрии в кристалле.

Основные результаты диссертации ойубликованы в работах [2] - [10], [«J, [56]. г

Автор выражает благодарность своему научному руководителях) доктору физ.-мат. наук, профессору Григорию Евгеньевичу Пикусу за интерес к работе и предложенные теш исследований. Особенно признателен автор доктору физ.-мат. наук Михаилу Игоревичу Дьяконову аа его внимание и интерес к этой работе. Автор очень признателен руководителям групп докторам физ.-мат. наук В.М. Аснину и А.А. Откину и их сотрудникам за полезные обсуждения и интерес к работе. Автор признателен всем сотрудникам ФТИ, с которыми ему посчастливилось работать, за их искреннее внимание к работе. у

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты диссертационной работы.

1. Установлена энергетическая структура мелких доноров в германии в магнитном поле. Показано, что немонотонный характер зависимости энергии уровней от магнитного поля обусловлен анизотропным диамагнитным сдвигом долин, спиновым и ор-битально-долинным расщеплениями.

2. Хорошее согласие между теоретически рассчитанной зависимостью степени циркулярной поляризации от величины магнитного поля и соответствующими экспериментальными данными подтверждает основные черты оболочечной модели многоэкситонных комплексов в полупроводниках. Установлено, что у -фактор дырок в НДЭ в кремнии практически не зависит от числа экситонов и равен 1.2, в германии для найдено, что -фактор дырок анизотропен: ^ = -I.I5, ^ = 0.45

3. Предсказано новое явление - возникновение линейной поляризации излучения экситонов в магнитном поле в геометрии Фарадея в кубических кристаллах. Показано, ^что одновременное измерение степеней циркулярной и линейной поляризаций в магнитном поле позволит избежать трудностей, связанных с определением коэффициента деполяризации излучения, выходящего из образца.

4. Построена модель глубокого центра Си Б арсениде Рал-лия. В рамках этой модели объяснены эффекты сужения полосы фотолюминесценции и переориентации центра при одноосной деформации.

5. Из сравнения экспериментальных данных и расчета адиабатических потенциалов ян-теллеровского центра определены . параметры модели ^ в A As : величина смещения атомов из узлов решетки составляет с: 0,03 - 0,7 I, энергия ян-телле-ровской стабилизации равна 10 мЭВ.

6. Детально исследован механизм возникновения циркулярного ФГТ в гиротропных кристаллах, обусловленный ангармо-нирмом при рассеянии электрон на двух оптических фононах.

7. Рассчитан фототон, зависящий от степени круговой поляризации света, возникающий за счет междузонных переходов в теллуре. Из анализа экспериментальных данных установлено, что величина $ , определяющая эффективное уменьшение энергетического зазора между Af/ и с ростом температуры, равна 0.3 'ЮГ15 ЭВ см2.

8. Предсказан новый механизм поверхностного фототока, зависящего от степени циркулярной поляризации света. Этот механизм обусловлен неоднородностью спиновой плотности электронов, возникающей при ихоптической ориентации. Показано, что этот эффект может быть использован для регистрации спиновой ориентации электрическими методами.

1. Рогачев А.А., Ушакова Е.М, Магнитные свойства связанных мно-гоэкситонных комплексов в кремнии, легированном бором. -ТО, 1980, 22, J£7, 1980-1987.

2. Аверкиев Н.С., Аснин В.М., Ломасов Ю.Н., Пикус Г.Е., Рогачев А.А., Рудь Е.А, Поляризация излучения связанного экситона на нейтральном доноре в германии в продольном магнитном поле. ®ЕТ, 1981, 23, МО, 3II7-3I23.

3. Аверкиев H.Ct, Ашров Т#К#, Гуткин А.А, Пьезоспектроскопиче-ское исследование полосы рекомбинационного излучения с максимумом около 1,36 эВ в GaAs , легированным медью.

4. Ш, 1981, 15, НО, I97G-I978.

5. Аверкиев H,Gf, Аширов Т.К», Гуткин А»А, Анизотропное подавление эффекта Яна-Теллера в глубоких примесных центрах в полупроводниках при одноосном давлении* фет, 1982, 24, $7, 2046-2051.

6. Аверкиев Н.С., Бакун А.А,, Данишевский A.M., Пикус Г.Е, Фототок, вызываемый оптической ориентацией свободных носителей в теллуре. В кн. "Труды Всесоюзной конференции по физике полупроводников", Баку, ЭЛМ, 1982, I, 74-75.

7. Белиничер В.И., Стурман Б.й. Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии. УФН, 1980, 130, ЖЗ, 415-458.

8. Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. Д., "Химия", 1976.

9. Бир Г.Л. Эффект Яна-Теллера на примесных центрах в полупроводниках. ЖЭТФ, 1966, И, J&2, 556-563.

10. Бир Г.Л., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. -М., "Наука", 1972.

11. Бир Г.Л., Пикус Г.Б. Поляризация рекомбинационного излучения экситонов в деформированном кристалле. ФЕТ, 1975, 17, JS3 , 696-706.22» Бреслер Ё.С,, Веселаго В.Г., Косичкин Ю.В#, Пикус Г.Е«,

12. Фарбштейн Й.М,, Шалыт С.С. Структура энергетического спектра валентной зоны теллура. ЖЭТФ, 1969, 57, $5, 1479-1494.

13. Гершензон Е.М., Голыдаан Г.Е*, Елантьев А.И. Энергетический спектр доноров в GaAs и Ge и влияние на него магнитного поля. ЖЭТФ, 1977, 72, №3, 1062-1080.

14. Гершензон Е.М«, Певин Н.М., Семенов И.Т., Фогельсон М.С, Электродипольное возбуждение спинового резонанса в компенсированном n-Ge , ФШ, 1976, 10, II, 175-177.

15. Дьяконов м.й. Теория оптической ориентации электронов и дырок в полупроводниках. Дисс.доктор фаз.-мат.наук,

16. Л., 1975, ФТЖ им.А.Ф.Коффе АЕ СССР.

17. Дьяконов м,й., Перель В,И. О спиновой ориентации электронов при межзонном поглощении света в полупроводниках. ЖЭТФ,60, 1954-1965.

18. Дьяконов м.й., Еерель В.И. О возможности оптической ориентации равновесных электронов в полупроводниках.

19. Письма в ЖЭТФ, 1971, I£, М, 206-210.28, Дьяконов М.й,, Нерель В .И., О возможности ориентации электронных спинов током,- Письма в ЖЭТФ, 1971, 13» $11, 657-660.

20. Ивченко ЕЛ,, Пикус Г.Е. Естественная оптическая активность полупроводников (теллур ) . ФГТ, 1974, 16» $7, 1933-1940.

21. Ивченко Е.Д,, Пикус Г.Е. Новый фотогальванический эффект в шротропных кристаллах. Письма в ЖЭТФ, 1978, 27, №8, 640643. 4

22. Каминский А.С,, Карасюк В.А., Покровский Я.Е. Взаимодействие носителей заряда в многочастичных экситон-примесных комплексах в кремнии. Письма в ЖЭТФ, 1981, 3g, ЯЗ, I4I-I44.

23. Каминский А.С., Карасюк В.А., Покровский Я.Е. Исследование структуры многочастичных экситон-иримесных комплексов, связанных на атомах фосфора в кремнии. ЖЭТФ, 1982, 83, $6, 2237-2251.

24. Каминский А»С., Покровский Я.Е» Рекомбинационное излучение конденсированной фазы неравновесных носителей заряда в кремнии. Письма в ЖЭТФ, 1970, II, Ш, 381-384.

25. Каплянский А»А«, Медведев В.Н., Смолянский П,Л, Деформационная поляризация люминесценции и структура излуча-тельного состояния кристаллов СаВ^ ть2+ . Опт. и спектр,, 1977, 42, ill, 136-143,

26. Кулаковский В,Д., Малявкив А,В., Тимофеев В.Б,

27. Многочастичные экситон-примесные комплексы в кремнии в магнитном поле. ЖШ, 1979, 76, М, 272-287,

28. Кулаковский В.Д., Пикус Г.В., Тимофеев В.Б. Многоэкситонные комплексы в полупроводниках. УФН, 1981, 135. 237-283.

29. Кюри Д. Люминесценция кристаллов. М», ИЛ, 1961.

30. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика.- Нерелятивистская теория. М#, "Наука", 1974.

31. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М, Статистическая физика, часть I, М., "Наука", 1976^

32. Пикус Г.Е. Поляризация экситонного излучения кремния под действием магнитного поля или одноосной деформации. -ФГТ, 1977, 19, J66, 1653-1664*

33. Пикус Г.Е., Аверкиев Н.С. Тонкая структура уровней связанного экситона и многоэкситонных комплексов в германии. Письма в ЖЭТФ, 1980, 32, 352-355.

34. Пикус Г.Е., Бреслер М.С. Длинноволновые оптические колебания в теллуре. ФХТ, 1971, J&, Ж2, 1734-1737.

35. Щдильковский И.М. Зонная структура полупроводников. М., "Наука", 1978.

36. Юлдашев Н.Х. Анизотропия зеемановского расщепления уровня акцептора и поляризация люминесценции кристаллов А^В^ в магнитном поле. Ш1, 1978, 12, №, 1202-1204.

37. Asnin V.M., Balcun А.А., Danishevskii A.M., Ivchenko E.L., Galetskaya A.D., Pikus G.E., Rogachev A.A.

38. Henneberger F*, Averkiev H.S*, Rasulov R.J. On a Hew Photo-galvanic Effect due to Free-Carrier Absorption. -Phys.St.Sol.(b), 102, N1, 343-351.

39. Horii К., Nisida Y. Zeemen Spectra of Arsenic and Antimony in Germanium in an Intermediate Magnetic Field.

40. J.of the Phys.Soc.of Japan, 1971, j51, N3, 783-789.

41. Kirczenow G. A Shell Model of Bound Multiexciton Oon^lexes in Silicon. Can,J.Phys., 1977, 55, N8, 1787-1801.

42. Lee N., Larsen D.M., Lax В. Field Dependent Central Cell Correction in Germanium in Magnetic Field. J.Pbys.Chem. Solids, 1973, j&f N11, 1817-1825.

43. Mayer A.E., Lightowlers E.C. Bound Exciton Luminescence and Absorption in Phosphorus-Doped Germanium. J.Phys.С, 1979, 12, N5, L539-544.

44. Mayer A.E*, Lightowlers E.C. Evidence for an Excited Hole State of Donor Bound Excitons in Germanium and a Parity Selection Rule. J.Phys.C, 1980, 1j>, N28, L747-752.

45. Narita S., Taniguchi M. Very Shallow Trapping State in Doped Germanium.- Phys.Rev.Lett., 1975, 55, N16, 1095-1098.

46. People R., Wolf P. A. Off-Diagonal Zeeman. Effects in the Ground-State Manifold of. n-Ge. Phys.Rev.B, 1981, 24, N8, 4634-4644.

47. Pointinent R.E., Sanders T.M. New Electron Spin Resonance Spectrum in Antimony-Doped Germanium.- Phys.Rev.Lett., 1960, 5, N7, 311-313.

48. Thewalt M.L.W. Details of the Structure of Bound Excitons and Bound Multiexciton Complexes in Si. Can.J.of Phys., 1977, 55, N16, 1463-1467.

49. Willman F., Bimberg D., Blatte M. Optical Properties of Excitons Bound to Copper-Complex Centers in Gallium-Arsenide.-Phys.Rev. B, 7, N6, 1273-2480.