Ширина линии экситона и его интегральное поглощение в твердых растворах AlxGa1-xAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

МАРКОСОВ МАКС1Ш СЕРГЕЕВИЧ

ШИРИНА ЛИНИИ ЭКСИТОНА И ЕГО ИНТЕГРАЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ АЦСа^Аэ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2009

003464245

Диссертация выполнена в Физико-Техническом Институте им. А. Ф. Иоффе

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

академик РАЕН

Сейсян Рубен Павлович (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук.

профессор

Разбирин Борис Сильвестрович (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН)

кандидат физико-математических наук, доцент

Савельев Артем Владимирович (СПбГПУ)

Ведущая организация: Балтийский государственный технический университет «ВоенМех»

Защита состоится 26 марта 2009г., в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д 002.205.02 при Физико-Техническом институте им. А. Ф. Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.2б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-Технического института им. А. Ф. Иоффе

Автореферат разослан 24 февраля 2009г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н., профессор

Сорокин Л.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное состояние полупроводниковой технологии уже позволяет создавать оптоэлектронные компоненты и приборы, реализующие экситонные или поляритонные эффекты. Энергия, необходимая для управления этими эффектами, сравнима с энергией связи экситона или величиной продольно-поперечного расщепления экси-тонного поляритона (ЭП), что на несколько порядков меньше характерной энергии, необходимой для создания электрон-дырочной пары в кристалле, используемой для управления традиционными полупроводниковыми приборами. Этот факт дает предпосылки для создания полупроводниковых приборов и элементов, характеризуемых меньшим потреблением энергии, уменьшенными значениями пороговых величин, более высоким КПД, а также способностью к высокой степени интеграции и к высоким скоростям работы. Опыты с экси-тонным транспортом или когерентным источником излучения на ЭП, обладающим почти нулевым порогом генерации, уже продемонстрировали первые многообещающие экспериментальные результаты.

Среди множества изученных полупроводниковых кристаллов системы Л1,Са|_</\5 являются особо привлекательными. Это связано, в первую очередь, с развитой технологией получения высокосовершенных ОаАв подложек в сочетании с фактом, что постоянные решеток ваЛв и АЦОа^Ав различаются не более чем на 0.07% [1], что частично снимает вопрос о пагубном влиянии механических напряжений в гетероструктуре. Это большая, чем в обычно используемых материалах ширина запрещенной зоны, высокие значения подвижности носителей, возможность получения образцов с чрезвычайно низким содержанием примесей. Несомненно, привлекательна возможность подбора основных параметров полупроводника - ширины запрещенной зоны, масс носителей заряда и пр., путем изменения концентрации компоненты замещения х. Поэтому сверхбыстрые электронные и оптоэлектронные компоненты часто строят именно с использованием полупроводниковых твердых растворов (ПТР) Л1хОа|-,А8.

Перспективность использования экситонных и связанных с ними поляритонных эффектов в ПТР А1хОа|.хАз очевидна. До настоящего времени, однако, не известны экспериментальные работы, в которых объемные экситонные поляритоны с их характерными особенностями надежно наблюдались бы в ПТР А1хОа| хАя.

Ширина линии (ШЛ) экситона во флуктуирующем потенциале ПТР является предметом изучения в течение более чем 30 лет [2-5]. В ШЛ экситона в ПТР преобладает неоднородная компонента (неоднородное уширение - НОУ), возникающая, в основном, вследствие взаимодействия экситона с флуктуациями потенциала. Механизм НОУ существенно

уширяет экситонную линию, и существование объемных ЭП в ПТР с большими концентрациями замещающего компонента х обычно представляется маловероятным.

Однако есть основания утверждать, что ни макрооднородность, ни упорядоченность не являются необходимыми условиями существования ЭП вообще. Взаимодействие экси-тона и ЭП со средой определяется взаимодействием этих квазичастиц с собственными колебаниями кристаллической решетки кристалла и рассеянием на заряженных примесях. Эти процессы приводят к однородному, или «истинному», уширению (ОУ) экситонной линии (ЭЛ). Указанные взаимодействия влияют на процессы интегрального поглощения (ИП) ЭП, приводя к характерному виду зависимости величины ИП ЭП от параметра затухания. Величина ИП растёт при увеличении температуры, достигая максимального значения, а затем остаётся постоянной с точностью до экспериментальной ошибки.

В полупроводниковых кристаллах ИП ЭП не является постоянной величиной вследствие наличия эффекта пространственной дисперсии. Теоретически, ИП ЭП в идеальном кристалле в отсутствие фононов равно нулю. Поглощение возникает только в процессе безиз-лучательной рекомбинации экситонов в результате рассеяния ЭП на фононах и примесях в реальных кристаллах.

Цель диссертационной работы заключалась в исследовании методами оптической спектрометрии закономерностей и формы существования экситона и ЭП в ПТР АЦСа^Аэ и в теоретическом анализе результатов исследования с целью изучения экситон-фотонного взаимодействия в среде с флуктуирующим потенциалом.

Предметом исследования служила форма линии экситонного поглощения и закономерности изменения ее ширины и величины ИП при изменении температуры образцов АЦОа^Ав, или интенсивности магнитного поля, в котором они находились.

Объектом исследования были свободные высокосовершенные образцы твердых растворов А1хСа|.,А5 с х=0.15, 0.209, 0.27, освобожденные от подложки и упакованные свободно, без применения какой-либо фиксации.

Задачи диссертационной работы

1. Оценить влияние деформационного расщепления валентных зон на ШЛ экситона и оп-_ределить.методику,корректного_получения параметров экситонной линии в случае малых, или скрытых расщеплений.

2. Ввиду наличия вкладов НОУ и ОУ в ЭЛ найти теоретическую форму кривой, которая наилучшим образом описывает ЭЛ, и определить методику контурного анализа, учитывающую вклады континума и возбужденных состояний экситона.

3. Определить качественный характер и параметры светопоглощения в образцах ПТР AlxGa\_xAs в зависимости от температуры или напряженности магнитного поля.

4. В случае обнаружения поляритонного характера светопоглощения, выделить компоненту ОУ из наблюдаемого уширения и определить константы взаимодействия экситона с фононами и примесями.

5. Определить вклад НОУ, показать некорректность определения параметров взаимодействия экситона со средой только через наблюдаемое уширение.

6. Исследовать зависимость ШЛ экситона от интенсивности магнитного поля.

7. Изучить зависимость величины ИП ЭП от интенсивности магнитного поля.

8. Оценить эффективные массы носителей заряда, используя данные магнитооптических измерений.

Методом исследования, позволяющим решить поставленные задачи, была выбрана классическая магнитооптическая спектроскопия с одновременным снятием спектров пропускания и отражения образцов ПТР AlxGai_xAs высокого кристаллографического совершенства, упакованных свободно, без напряжений. Изменения температуры образца и интенсивности окружающего его магнитного поля рассматривались как факторы, влияющие на ШЛ и ИП экситона. Параметры ЭЛ определялись методами контурного анализа после отделения части спектра края поглощения от вкладов континуума и квазиконтинуума.

Научная новизна полученных результатов

1. Детально исследованы температурные зависимости ШЛ и ИП экситона в Alo ísGao.ssAs.

2. Установлено, что в ПТР Alo.15Gao.85As в диапазоне температур 0-155К светопоглощение в районе экситонного резонанса определяется экситон-поляритонными эффектами.

3. Из экспериментально измеряемой ШЛ выделены данные по ОУ ЭЛ в ПТР Alo.15Gao.85As и показано, что ОУ ЭЛ, определяемое параметрами диссипативного затухания, которое напрямую связано с материальными параметрами среды, на порядок меньше наблюдаемого уширения.

4. Показана необходимость учета деформационного расщепления ЭЛ в образцах со скрытым расщепленным состоянием экситона.

5. Для описания формы ЭЛ в ПТР использовались контуры Войта, одновременно учитывающие однородное и неоднородное уширение.

6. Впервые был показан немонотонный ход зависимости ИП экситонной линии в ПТР Alo.isGao ssAs при изменении интенсивности магнитного поля.

Практическая ценность работы

1. Разработана процедура определения параметров взаимодействия экситона со средой посредством изучения ОУ ЭЛ, извлекаемого из опытных данных, с учетом деформационного расщепления и перекрытия ЭЛ с квазиконтинуумом и континуумом состояний.

2. Предложенное использование контуров Войта для контурного анализа ЭЛ в ПТР Al„Ga|.xAs повышает точность измерения ее параметров.

3. Продемонстрирована возможность повышения точности определения параметров экси-тонной линии путем учета ее деформационного расщепления.

4. Показано, что применение магнитного поля изменяет условия существования ЭП в кристаллах ПТР AlxGai.xAs, как в сторону уменьшения ИП, так и его увеличения в сильных магнитных полях.

5. Полученные данные могут быть использованы при построении приборов на основе AlxGai.xAs с использованием экситон-поляритонных эффектов.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Деформационное расщепление экситонной линии полупроводниковых твердых растворов AlxGai_xAs может остаться незамеченным при небольших концентрациях замещающей компоненты х, и восприниматься, в таком случае, как скрытое уширение, растущее пропорционально х. Учет деформационного расщепления необходим для корректного определения ширины экситонной линии и других параметров экситонного поглощения.

2. Уширение экситонной линии вследствие структурного беспорядка в твердом растворе Alo.15Gao.85As более чем на порядок превосходит уширение вследствие взаимодействия экситона с фононами, дефектами и заряженными примесями (однородное уширение), т.е. является, в основном, неоднородным. Наблюдаемая ширина линии не может использоваться для определения параметров взаимодействия экситона и среды.

3. Форма экситонной линии в ПТР Alo.15Gao.g5As определяется и однородным, и неоднородным уширением. Контурный анализ экситонных линий, проводимый с использованием функций Войта, одновременно учитывающих Гауссово (неоднородное) и Лоренцево (однородное) уширение, а также с учетом вкладов континуума и квазиконтинуума, позволя-_ет наиболее точно зафиксировать параметры экситонной линии и сделать оценки соотношения однородной и неоднородной компонент уширения.

4. Температурная зависимость интегрального поглощения экситонной линии высокосовершенного твердого раствора Alo.15Gao.85As вплоть до критической температуры Тс=\ 55К определяется экситон-поляритонными эффектами с учетом пространственной дис-

Персии и насыщается до Кт„ =90.2 эВ/см, что соответствует силе осциллятора экситона / = 1.16х10"4 в пересчете на элементарную ячейку и параметру продольно-поперечного расщепления ticoLT = 0.101 мэВ.

5. Зависимость величины интегрального поглощения экситонной линии в высокосовершенном твердом растворе Alo.15Gao.g5As от интенсивности приложенного магнитного поля при 7=1.7К определяется конкуренцией двух механизмов изменения формы экситонной линии. Первый механизм уширяет экситонную линию во флуктуирующем потенциале твердого раствора вследствие сжатия и утяжеления экситона в магнитном поле и увеличивает ее интегральное поглощение вследствие роста силы осциллятора экситона. Второй механизм выражается в уменьшении интегрального поглощения экситонной линии из-за угнетения процесса рассеяния экситона на заряженных примесях - основном механизме, который обуславливает экситон-поляритонное поглощение и однородное уширение экситонной линии при низких температурах.

6. Экситон в твердом растворе AlmsGao ssAs продолжает существовать в относительно сильных магнитных полях, таких что /? > 1, где р = hCíURy (О-сумма циклотронных частот электрона и дырки, Яг-экситонный Ридберг), что позволяет наблюдать спектры диамагнитного экситона до Н=7Тл и определить основные зонные параметры и эффективные массы носителей заряда в этом полупроводнике.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: «4th International conference on Physics of light-matter coupling in nanostructures (loffe Institute, St.-Petersburg, Russia, June 29 - July 3, 2004); «Международном семинаре по опто- и наноэлектронике» (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, 27 октября 2008); на IX и X «Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой и нано-электронике» (Санкт-Петербург, 3-7 декабря 2007, 1-4 декабря 2008 (в 2008г работа удостоилась диплома)).

Публикации. Основные результаты исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы, опубликованы в 6 печатных работах, из них 2 входят в список изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 97 источников. Работа содержит 183 страницы машинописного текста и 48 рисунков.

Лнчный вклад. Постановка и проведение экспериментов, математическая обработка данных, предварительный и теоретический анализ результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, показаны ее научная новизна, практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведены основные предпосылки к уширению ЭЛ в ПТР. Даны положения теории интегрального поглощения ЭП в средах с пространственной дисперсией. Приведены элементы теории поведения экситона в структурно упорядоченных полупроводниках (СУП) и ПТР в магнитном поле. Даются основные параметры изучаемого ПТР А1хОа1.хАя с х=0.15, и объявляется постановка исследования.

Доминирующим фактором уширения ЭЛ в ПТР является взаимодействие экситона с флуктуирующим потенциалом кристалла, в общей кристаллической решетке которого произвольным образом распределены бинарные компоненты, в рассматриваемой системе -ОаАэ и А1А8. Существует несколько подходов, описывающих механизм взаимодействия флуктуирующего потенциала решетки с экситоном.

1. В работе [3], для расчета ШЛ экситона используется статистический квантово-механической подход для неупорядоченной структуры ПТР. Энергия связи экситона, подверженная флуктуациям величины запрещенной зоны ПТР, среднее значение которой дается как Е (х) = ЕА + САх + Слвх2 [1], вычисляется с помощью теории возмущений первого

порядка при использовании стандартных статистико-механических приемов. Форма линий экситонных переходов оказывается Гауссовой. При представлении экситона сплошной сферой, ширина линии на половине высоты рассчитывается через х, и А V - объемы экситона и элементарной ячейки, и величину <1Е (х)/с1х:

а(х) =2 (Сл+ 2 САВ х)л12Ы2х(]-х)АУ/Ух (1)

2. Подход, развитый в работе [4], связывает уширение ЭЛ в ПТР с локализацией экси-тонов в потенциальных ямах флуктуирующего потенциала. Указывается, что ШЛ меняется по-разному, в зависимости от соотношений эффективных масс дырки (шА) и электрона (те), а также радиуса экситона (а и ) и характерного масштаба флуктуации. В случае сво-

бодных экситонов, когда "мало по сравнению с масштабом флуктуации:

сг(л: 1 = 0.08—^--—5--(2)

где М и N - трансляционная масса экситона и концентрация атомов замещения. В изучаемых образцах ть» те, и движение электрона вокруг дырки захватывает гораздо большую

область пространства, чем движение самой дырки - ситуация начинает напоминать донор-ный атом. В таком случае ЭЛ имеет форму гауссиана с характерным уширением:

3. Напряжения в образце также влияют на наблюдаемое уширение ЭЛ. Обычно изучаемые образцы весьма тонки (несколько мкм.) и, как правило [6], являются напряженными, что приводит к деформационному расщеплению валентных зон легкой и тяжелой дырки, и соответственно, расщеплению экситонного пика на величину 2 Л, где

Здесь е - тензор деформации, параметр Л определяется через компоненты тензора упругой жесткости, Д, - деформационный потенциал валентной зоны.

Процедуры роста и подготовки образцов могут подразумевать, как в данном и некоторых других случаях [6], наличие подложки, или ее остатков на образце. Тогда, из-за рассогласования постоянных решеток, а также из-за разницы КТР, приводящей к рассогласованию слоев при понижении температуры от ростовой до температуры снятия спектров, в образцах возникают напряжения. В некоторых условиях, когда величина расщепления меньше, либо порядка ШЛ экситона, комплекс из двух серий ЭЛ может восприниматься как единая экситонная линия.

4. Взаимодействие экситона с примесями и фононами приводит к однородному уши-рению ЭЛ [7]. ОУ описывается через константу взаимодействия и число рассеивателей -примесей или фононов, которое для акустических фононов пропорционально температуре, а концентрация оптических фононов описывается Бозе-функцией. Рассеяние ЭП на заряженных и компенсированных примесях можно считать температуро-независимым. В целом, температурная зависимость ОУ ЭЛ имеет вид:

где Ьа>ш - энергия оптического фонона, N - концентрация заряженных и компенсированных примесей. Форма, соответствующая ОУ - лоренциан. Специфика ОУ в ПТР заключается в том, что экситонные состояния, по мере увеличения энергии, должны быть представлены плоскими волнами [8], что уменьшает значения у для Оа/\5 примерно в 2 раза [7]. Поправки, учитывающие тот факт, что с примесями и фононами взаимодействует не экситон, а ЭП также приводят к уменьшению /? и у (приблизительно на 20% для ОаЛэ [7]).

(3)

дГ =2Н|д,|(1 + л01)/з

(4)

Г„ (Г) =И<т + рГ+ г[ехр(Люю /к„Т)~ I]"1,

(5)

5. Теория интегрального поглощения рассматривает связь величины ИП ЭП с константой затухания у в СУП. Однако есть основания утверждать, что ни макрооднородность, ни упорядоченность не являются необходимыми условиями существования ЭП. К температур-но-зависимому ИП в ПТР могут приводить каждый из двух возможных механизмов ЭП переноса. Первый проявляется в средах с пространственной дисперсией (А/*°о) как результат конкуренции экситонного и электромагнитного энергопереноса - в зависимости от у. Второй связан с переизлучением локализованных экситонов вдоль конечных цепочек резонансных квантовых ям в отсутствие механического переноса. Предполагается, что параметр нерадиационного затухания экситона у не зависит от со. ИП исследуется как функция у или температуры Т. Для волн ЭП, распространяющихся в квазиоднородной среде с пространственной дисперсией, ИП имеет вид [9]:

Максимальное значение ИП и критическое значение параметра затухания составляет:

6. Влияние магнитного поля на поведение экситона в ПТР выражается в сжатии его волновой функции, что приводит к снижению эффективности усреднения флуктуаций потенциала по объему экситона, и в росте его массы в плоскости, перпендикулярной магнитному полю [5], что ведет к увеличению вероятности локализации экситона в потенциальных ямах, образованных флуктуирующим потенциалом. Локализация потенциально может приводить к полному разрушению спектра диамагнитного экситона. Авторы [5] выделяют несколько механизмов изменения ШЛ, характерных для различных вариантов существования экситона в ПТР. Для АЦОа^Аз (0<г<0.4) различными подходами подтверждается доноро-подобное поведение экситона. В таком случае, ШЛ в слабых полях мало зависит от Я, а в дальнейшем предсказывается линейный рост с Н. Конкурирующим механизмом является магнитное вымораживание носителей [10], которое обуславливает уменьшение ОУ и ИП при низких температурах, когда доминирует рассеяние ЭП на примесях.

Во второй главе описывается процедура подготовки образцов ПТР А1хОак*А5 к исследованию. Образцы были выращены в Новосибирском Институте физики полупроводников СОАН А.И. Тороповым и др., с применением специальных мер по достижению пре-

(6)

при у>ус.

дельно низкой концентрации примесей [11], оказывающейся на уровне 1-5х1014см"3. Образцы любезно предоставлены Т.С. Шамирзаевым. Приводятся результаты прецизионного химического травления образцов, выполненного Н.Д. Ильинской в ФТИ им. Иоффе. Описывается схема эксперимента, приводятся соображения по элиминированию результатов интерференции в тонких (2.5 мкм) образцах. Приводятся данные двух образцов Alo.uGao.85As (№1 и №2), исследовавшихся в большинстве экспериментов. Температурные зависимости зарегистрированы с применением криостата «УТРЕКС».

В третьей главе приводятся основные экспериментальные результаты.

1. Для корректного определения параметров ЭЛ проведено ее выделение из спектра поглощения путем вычитания вкладов континуума и квазиконтинуума. Учтено деформационное расщепление, величина которого получена для образца с д=0.15 путем экстраполяции величины расщепления ЭЛ в образце с л-=0.209, где оно наблюдается в виде расщеплен-ния спектральной линии. Скрытое расщепление составило 2.4 и 3.2 мэВ для образцов №1 и №2 соответственно. Учтен и сдвиг Ее, составивший 2.3 и 2.7мэВ. Контурный анализ проводился контурами Войта, что увеличило точность определения ШЛ и величины ИП. Приведены данные по температуро- и магнито-зависимому поглощению, с описанием особенностей и результатов контурного анализа в каждом случае.

Строятся зависимости положений экситонного пика от температуры или магнитного поля; для температурной зависимости производится сравнение с кривой Варшни, для магнитной - определяются зоны действия расщепления Зеемана, диамагнитного сдвига (составившего для образцов №1 и №2, соответственно: Д1,! =7.5x10"5 эВ/Тл2 и Д1' =4.3x10"5 эВ/Тл2, и Д1,), -7х 10"5 эВ/Тл2 и Д'(;;, =4.2x1 (У5 эВ/Тл2) и сдвига Ландау. Определена величина Я, при которой достигается критерий Элиота-Лудона сильного поля. Для образца №1 она составила: Не =4.5 Тл, для №2 - Н* = 5Тл и Н~ = 4.2 Тл для экситонов на легкой(+) и тяжелой(-) дырках. Анализ ОМП (рис. 2) образца №1 позволил определить величину запрещенной зо-

Energy, eV

Рис.1 Контурный анализ расщепленной ЭЛ, после

выделения ее из экспериментально полученного, свободного от интерференции спектра поглощения Alo.15Gao.85As №1. Экситонные состояния аппроксимируются контурами Войта.

ны Е = 1.7320 ±0.002 эВ, что совпало с ранее определенным, учитывающим деформационный сдвиг, значением: Е„ = 1.732! эВ. Из

з ... «

energy. eV

Рис 2. Спектры ОМП в Alo.15Gao.85As №1 при Я от 1Тл (нижний спектр) до 7Тл (верхний спектр) с шагом 0.5Тл. Цифрами отмечены пики поглощения снятые в ПЦП при Н=6.5Тл, соответствующие переходам: 1-ab" (1 )abc(0), 2'-а+(1)ас(0), 2-ab~(2)abc( 1), З--b"(I)bc(0), 3-ab"(3)abc(2), 4-ab (4)abc(3), 5-ab" (5)abc(4), положение которых использовалось для определения зонных параметров.

■Ц

-j-, о

К-*, !

SÖ .......*«»*.......'

е

х

60 о

!т< О©

) 1Ö0 200 300 0° О

Tempera iura, К о

о °

е°0

ввоо 0

и оо

Тетрегзшге. К Рис 3. Наблюдаемое уширение (окружности), ОУ (кружки) и анализ ОУ суммой фононных (пунктир и штриховая линии) и примесных (сплошная) составляющих. Штрихпунктир -экстраполяция ОУ в высокотемпературную область. На врезке - полученное ИП с параметрами Г,.=0,32 мэВ, йй)п. =0.101мэВ, «■„„=90.2 эВ/см.

становится возможным оценить константы

анализа спектров, снятых в лево- и право-циркулярных поляризациях, были получены эффективные массы носителей заряда: те= 0.085т,h т„, = 0.099т о, т,ф = 0.705w«, соответствующие литературным данным [1] в пределах точности измерения концентрации AI в образцах.

В четвертой главе приводятся результаты анализа полученных данных

1. Температурная зависимость ИП ЭЛ образца Alo.15Gao.85As №1 (врезка на рис.3) показывает поляритонный характер светопогло-щения вплоть до 7=155К, причем его характер определяется первым механизмом светопере-носа (квазисвободные экситоны). Теория интегрального поглощения в средах с пространственной дисперсией позволяет, из зависимостей величины ИП от температуры (эксперимент) и ИП от константы затухания (теория) найти зависимость константы затухания от температуры, а через нее - величину однородного уши-рения (рис. 3). Вычитание ОУ из наблюдаемого уширения позволяет условно оценить НОУ. При 7=1.7К величины НОУ и ОУ различаются примерно на порядок - 2.8мэВ и 0.26мэВ для экситонов на тяжелой дырке. Так как взаимодействие экситона с веществом определяет именно ОУ, а НОУ является следствием взаимодействия экситона с неоднородностями образца, в частности, флуктуациями состава, то взаимодействия экситона с фононами и приме-

S2.0 6

г, О

\

'°°°о°ао о ° 2

сями, раскладывая ОУ согласно (5). Для Alo.15Gao.g5As они равны: <7 = 5.3x10 "эВхсм3, /? = 573 цэВ/К, у = 2.9 мэВ. Соответствующее сг температуро-независимое примесное уши-рение для образца №1 составляет 0.265мэВ. Данные по взаимодействию ЭП с фононами для Alo.15Gao.g5As близки к таковым для GaAs [7] если учитывать, что высокоэнергетичные состояния экситона должны рассматриваться как плоские волны [8]. Анализ показывает, что до Г~100К уширение в основном определяется рассеянием ЭП на заряженных примесях.

2. При наличии магнитного поля происходит уширение ЭЛ [3, 5] в силу описанных выше причин. Для Alo.15Gao.s5As характерна отсутствующая, либо слабая зависимость ШЛ от Я в слабых магнитных полях с близким к линейному ростом в сильных. Однако, в области 0-2Тл. наблюдается даже некоторое уменьшение ШЛ, что может быть отнесено за счет уменьшения компоненты ОУ в общем уширении, преимущественно состоящем из НОУ. При низких Т, ОУ определяется рассеянием на заряженных примесях. С увеличением магнитного поля, заряженные примеси начинают «вымораживаться», переходя в нейтральное состояние [10] вследствие увеличения энергии активации. Последнее является результатом уменьшения экранирования ку-лоновского взаимодействия заряженной примеси и носителя заряда. Поэтому компонента ОУ уменьшается, что в условиях доминирования НОУ и его постоянства при слабых магнитных полях проявляется в относительно слабом уменьшении ШЛ (рис. 4).

3. Сила осциллятора экситона в магнитном поле растет квадратично с полем. Однако, ИП ЭП в области низких Т зависит только от рассеяния экситона на заряженной примеси, и в идеальном случае устремляется к нулю. Когда энергия активации примеси увеличивается

0 1 2 3 4 5 6 Magnetic field, Т

Рис 4. ШЛ экситона в образце Alo.15Gao.85As №2 на легкой (2) и тяжелой (1) дырке в зависимости от магнитного поля. 3 - теоретическая зависимость, полученная по (1) учетом изменения V„c с полем.

2 4

Magnetic field, T

Рис 5. ИП экситона в Alo.15Gao.g5As образах (1)

-№1,2,3- №2 (легкие и тяжелые экситоны) с

построенными по (7) кривыми. Врезка -

энергия активации примеси в GaAs (п-Ю1"1)

(рис 5, врезка), и концентрация заряженных примесей падает, ИП ЭП уменьшается. Таким образом, имеет место конкуренция двух процессов, приводящая к наличию минимума ИП в области около 1.5-2 Тл, после чего преобладает квадратичный рост ИП. Результат действия этих процессов может быть записан, как:

/ф^^и' + ^И'-Р"''2]. (7)

где с!1 = аъеж.е1 /<с2, - дипольный момент основного состояния экситона [6], а коэффициент р выражает зависимость ИП ЭП от рассеяния экситона на заряженных примесях в магнитном поле.

Параметры в выражении (7) для обоих образцов AlonGao.gsAs, а также для тонкого (Змкм) образца GaAs, исследовавшегося в лаборатории ФФМ ФТИ, сведены в таблицу:

Параметр GaAs (данные получены в лаборатории ФФМ) AIo.15Gao.85As.Nbl Кривая 1 Alo.15Gao.85As №2 Кривая 3(hh) Alo.15Gao.85As №2 Кривая 2 (!h)

Ко, эВ/см 8.8 57.89 41.8 22.1

di, Тл ' 0.011 0.012 0.012 0.0136

р,Тпш - 0.09 0.12 0.054

Таким образом, как и ожидалось, дипольный момент основного состояния пропорционален а]хс (аеус - радиус экситона), и увеличивается с уменьшением приведенной массы экситона, тогда как коэффициент, выражающий зависимость ИП ЭП от рассеяния экситона на заряженных примесях, с увеличением ат убывает.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В заключении приводятся основные результаты по данной диссертационной работе, которые сформулированы следующим образом.

1. Были получены температурные зависимости экситонных ШЛ и ИП в ПТР Alo.15Gao.85As. Использовалась техника, позволяющая детально учесть вклады континуума и квазиконтинуума в наблюдаемую ширину линий в целях получения достоверных данных

2. Была показана необходимость учета «скрытого» деформационного расщепления ЭЛ, как влияющего на определение ее ширины, и установлена процедура учета этого механизма уширения для точного определения искомых параметров.

3. Был показан экситон-поляритонный характер температурной зависимости ИП ЭЛ для твердого раствора Alo.15Gao.s5As, имеющий место в интервале температур 0 - 155К с пара-

метрами ЭП Ткои. =0.101 мэВ, /1=0,32 мэВ, Л"„ак=90.2 эВ/см, или силе осциллятора эксито-на / = 1.16хЮ~4 в пересчете на элементарную ячейку.

4. Были получены данные по однородному уширению экситонной линии в ПТР А1о.]50а,)85Аз. Показано, что истинное уширение ЭЛ, определяемое параметрами диссипа-тивного затухания, которое напрямую связано с материальными параметрами среды, на порядок меньше наблюдаемого неоднородного уширения в температурном диапазоне 0-155К. Показано, что наблюдаемая ширина линий не может быть использована для определения характеристик экситон-фотонного взаимодействия в среде, а свидетельствует, в первую очередь, о структурном беспорядке кристалла.

5. Было показано, что зкситон в «сильном» магнитном поле в ПТР Alo.15Gao.s5As не разрушается вплоть до Н=7Тл, что позволяет наблюдать спектры диамагнитного экситона и извлекать информацию о зонных параметрах, в частности, об эффективных массах носителей заряда в кристалле.

6. Впервые была получена и проанализирована зависимость величины ИП ПТР Alo.15Gao.85As от интенсивности магнитного поля при 7=1.7К и показан ее немонотонный характер, обусловленный наличием конкурирующих механизмов изменения ширины и амплитуды экситонной линии.

7. Анализ зависимостей ширины линии от магнитного поля показал, что наблюдаемая ширина экситонной линии в образцах Alo.15Gao.85As незначительно зависит от поля до значений порядка 3.5Тл, а после характеризуется монотонным ростом, описываемым как результат увеличения трансляционной массы экситона и как результат усреднения флуктуаций потенциала по объему экситона в силу его уменьшения в магнитном поле. Наблюдаемый спад зависимости ширины экситонной линии от интенсивности магнитного поля в районе 1.5-2Тл может быть отнесен на счет уменьшения однородной компоненты уширения экситонной линии в магнитном поле.

Основные публикации по теме диссертации 1. Р. П. Сейсян, В.А. Кособукин, С.А. Ваганов, М.А. Маркосов, Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев, А.К. Бакаров, А.И. Торопов. Экситонные поляритоны в полупроводниковых твердых растворах А^Оа^Ав // Материалы IV международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в наноструктурах (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия, 29 июня - 3 июля, 2004)

2. R.P. Seisyan, V.A. Kosobukin, S.A. Vaganov, M.A. Markosov, T.A. Shamirzaev, K.S. Zhuravlcv, A.K. Dakanov and A.I. Toropov. Exsitonic polaritonis in semiconductor solid solutions AlxGai.xAs // Pliys. Stat. Sol. C. - 2005. - V. 2. - P. 900-905

3. Сейсян Р.П. Маркосов M.C. Зависимость интенсивности экситонного поглощения от магнитного поля в высокосовершенных твердых растворах AlxGai_xAs // Тезисы докладов международного семинара по опто- и наноэлектронике. (СПб.: Из-во Политехи, унта, 2008.-С.51)

4. Р.П. Сейсян, В.А. Кособукин, М.С. Маркосов. Экситоны и поляритоны в полупроводниковых твердых растворах AlxGa].xAs // ФТП.-2006.-11.-С.1321

5. М.С. Маркосов, Р.П. Сейсян. Ширина линии экситонного поглощения в твердых растворах AlxGai.xAs // Тезисы докладов 9-ой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. (СПб.: Из-во Политехи, ун-та, 2007.-С.126)

6. М.С. Маркосов, Р.П. Сейсян. Зависимость интенсивности экситонного поглощения от магнитного поля в твердых растворах AlxGai.xAs // Тезисы докладов 10-ой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. (СПб.: Из-во Политехи, ун-та, 2008.-С.4)

Цитируемая литература

[1] Sadao Adachi. GaAs, AlAs and AlxGai-xAs: Material parameters for use in research and device application// J. Appl. Phys. -1985,- V.58.- N.3.- P.R1-R29.

[2] Алферов Ж.И., Портной Е.Л., Рогачев A.A. О ширине края поглощения полупроводниковых твердых растворов // ФТП.-1968.-2.-С.1194.

[3] S.M. Lee, К.К. Bajaj. A quantum statistical theoiy of linewidth of radiative transition due to compositional disordering in semiconductor alloys// J. Appl. Phys. - 1993. -N.73. - P. 1788-1796.

[4] H.H. Аблязов, M. Э. Райх, Ал. Л. Эфрос. Ширина линии экситонного поглощения в твердых растворах // ФТТ.-1983.-25.-С.353.

[5] М. Э. Райх, Ал. Л. Эфрос. Уширение линии диамагнитного экситона в твердых растворах // ФТТ,-1984.-Т.26,-1 .-С. 1 Об.

[6] Р.П. Сейсян. Спектроскопия диамагнитных экситонов. (М., Наука, 1984.-С.62).

[7] S. Rudin, T.L. Reinecke, В. Segall. Temperature-dependent exciton linewidths in semiconductors // Phys. Rev. В.-1990.-V.42.-N. 17.- P. 11218.

[8] S. Lai, M.V. Klein. Evidence for Exciton Localization by Alloy Fluctuations in Indirect-Gap GaAsi.xPx // Phys.Rev.Lett., -1980.-V.44.-N.16,- P. 1087.

[9] Н.Н. Ахмедиев. Роль пространственной дисперсии в поглощении света экситонами // ЖЭТФ,-1980.-Т.79.-С. 1534.

[10] I. Bisotto, В. Jouault, A. Raymond, W. Zawadzki, and G. Strasser. Donor ionization energy in bulk GaAs for different donor concentrations and magnetic fields // Phys. Stat. Sol. (a).-2005.-202,- 4, P.614.

[11] 32. K. S. Zhuravlev, A. I. Toropov, T. S. Shamirzaev, and A. K. Bakarov. Photoluminescence of high-quality AIGaAs layers grown by molecular-beam epitaxy // Appl.Phys.Letter, - 2000.-V.76- N.9.-P.1131.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 12.02.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 4050Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

• Введение.

• Глава 1. Теоретические предпосылки уширения экситонной линии в твердом растворе. ^

П. 1.1 Экситон во флуктуирующем потенциале в кристалле.

П. 1.2 Расщепление уровня валентной зоны вследствие деформации кристалла и скрытое уширение экситонной линии

П. 1.3 Механизмы однородного уширения экситонной линии.

П. 1.4 Экситонные поляритоны в твердом растворе. Ширина линии как фактор затухания в теории интегрального поглощения.

П. 1.5 Уровни Ландау и осциллирующее магнитопоглощение в полупроводнике.

П. 1.6 Экситон в полупроводнике в магнитном поле. Критерий сильного магнитного поля. Эффект Зеемана и диамагнитный сдвиг.

П. 1.7 Экситон в твердом растворе в магнитном поле.

П. 1.8 Постановка исследования. ^

П. 1.9 Основные параметры твердого раствора Alo.15Gao.85As.

• Глава 2. Образцы, техника эксперимента и обработка экспериментальных данных. ' ^д

П. 2.1 Исследовавшиеся образцы.

П. 2.2 Техника экспериментального исследования.

П. 2.3 Обработка экспериментальных данных.

• Глава 3. Основные экспериментальные результаты.

П. 3.1 Спектры пропускания, отражения и спектры коэффициента поглощения.

П. 3.2 Явное и скрытое деформационное расщепление экситонной линии.

П. 3.3 Выделение экситонного спектра из спектра коэффициента поглощения.

П. 3.4 Контурный анализ линий экситонного поглощения.

П. 3.5 Температурная зависимость параметров экситонного поглощения.

П. 3.6 Зависимость экситонного поглощения от магнитного поля 115 П. 3.7 Осциллирующее магнитопоглощение твердого раствора

Alo.isGao.gs As.

• Глава 4. Обсуждение экспериментальных результатов.

П. 4.1 Температурная зависимость ширины экситонной линии в твердом растворе Alo.15Gao.85As.

П. 4.2 Температурно-зависимое интегральное поглощение экситонной линии в Alo.15Gao.85As. j^g

П. 4.3 Однородное уширение экситонной линии в Alo.15Gao.85As . 144 П. 4.4 Неоднородное уширение экситонной линии в Alo.15Gao.85As

П. 4.5. Магнитооптика твердых растворов Alo.15Gao.85As. ^^

П. 4.6 Ширина экситонной линии в твердом растворе Alo.15Gao.85As в магнитном поле.

П. 4.7 Интегральное поглощение экситонной линии в твердом растворе Alo.15Gao.85As в магнитном поле.

Системы на основе А^Оа^Аэ считаются весьма перспективными для создания полупроводниковых приборов на их основе, применения их в информационных, коммуникационных технологиях. Значительный интерес представляет возможность управления основными параметрами полупроводника путем изменения концентрации замещающей компоненты. Высокие значения подвижности носителей [31, 42, 42], отработанность технологии создания образцов высокой чистоты [32] создают условия для использования их в исследованиях и производстве. В тоже время, практически полное совпадение параметров решеток ОаАэ и А^ва^Аз (разница не превышает 0.07%) [33], является предпосылкой для создания структур с малым количеством напряжений, дефектов кристаллической решетки. Учитывая изученность технологии создания высокосовершенных ваАБ подложек можно утверждать, что указанные материалы привлекали, привлекают и будут привлекать разработчиков и технологов приборов и устройств.

На основе систем А1хСа].хА8 могут быть построены высокоэффективные излучающие (лазеры, лазерные диоды) [43, 44], принимающие (фотодиоды) [57] и управляющие элементы, характеризующиеся высоким быстродействием [32, 31, 34], низкими значениями порогов срабатывания, стойкостью к внешним воздействиям (например, температуре, электромагнитным помехам) [59] и возможностью к высокой степени интеграции [65]. Изменяя концентрацию х становится возможным создавать приборы и устройства с широким спектром желаемых параметров, что, например, чрезвычайно актуально для излучающих устройств, фотоэлементов, СВЧ-транзисторов. Существующие приборы, например, построенные с использованием 1пР, не вполне удовлетворяют этим требованиям (ввиду, в частности, невысокого значения ширины запрещенной зоны, низкого показателя подвижности носителей) [33], другие, например 81С, сталкиваются с технологическими трудностями отсутствия подложек надлежащего качества [68].

Полупроводниковые приборы и устройства характеризуются величиной энергии, требующейся для их активации (начала генерации света, переключения транзистора). Снижение величины энергии активации зачастую обозначает прогресс в той или иной области - ускорение работы переключателей, транзисторов, повышение КПД полупроводниковых лазеров, устранение проблем теплоотвода, снижение размеров и повышении интеграции в полупроводниковых устройствах и интегральных схемах [34, 65].

Обычный полупроводниковый прибор требует воздействия с энергией порядка разницы энергий уровней электронно-дырочных переходов, что составляет от нескольких до десятков электрон-вольт [33]. Экситонные приборы способны работать при воздействии на несколько порядков меньше — единицы и десятки миллиэлектрон-вольт: такова энергия квазичастицы образованной свободным электроном и дыркой в кристалле. Поляритонные приборы требуют затрат энергии еще на порядок меньше - они должны быть сравнимы с энергией продольно-поперечного расщепления. Потребляющий на порядок меньше, чем обычный твердотельный, поляритонный источник когерентного излучения [77] уже продемонстрировал впечатляющие результаты. Прибор с реализацией экситонного транспорта также [71] открывает перспективы к созданию «экситонных транзисторов», «экситонных переключателей».

Актуальность темы исследования состоит в том, что в то время как возможность построения приборов нового поколения использующих экситонные или поляритонные эффекты была продемонстрирована на нескольких примерах [71, 77], процедуры точного учета параметров экситон-фотонного и поляритон-фотонного взаимодействия не были продемонстрированы для таких перспективных материалов, как твердые растворы, в особенности - А1хОа1.хАз. В данной работе впервые продемонстрированы как техники достоверного определения рода и параметров экситон-фотонного взаимодействия в неупорядоченной полупроводниковой среде, так и техники корректного учета факторов, могущих остаться, незамеченными, но вносящих значительную помеху в определяемые параметры. Впервые детально описывается методика анализа данных и определения рода и параметров взаимодействия экситона и поляритона со средой твердого раствора. Вносятся дополнения к фундаментальным работам в данной области, обычно рассматривающие изолированный аспект существования экситона в твердом растворе [9-14, 20].

Исследование тонкой структуры края поглощения полупроводника — это исследование относительно узких (2-10мэВ) особенностей спектра вблизи края поглощения — результата проявления экситонных эффектов в суперпозиции с континуумом и квазиконтинуумом поглощения. Такого рода исследования сталкиваются с необходимостью исключения любых иных вкладов в. поглощение, или механизмов.обуславливающих изменения формы экситонных пиков, а равно и изменяющие вид края поглощения. К таким вкладам и механизмам можно отнести, в первую очередь, наличие примесей в кристалле, дислокаций, центров рекомбинации на поверхности, дефектов кристалла, наличие напряжений в кристалле и пр. и пр. Поэтому в качестве объекта исследования были выбраны свободные, сверхтонкие образцы высокосовершенного твердого раствора А^а^Аз с тремя значениями концентрации замещающей компоненты х - 0.15, 0.209 и 0.27 выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии в условиях глубокой очистки установки роста и использования особо чистых исходных материалов [32].

Цель данной работы заключалась в определении рода, и основных параметров взаимодействия экситона со средой кристалла путем анализа закономерностей изменения основных параметров экситонной линии в твердом растворе А1хОа1.хАз - амплитуды, ширины и также интегрального поглощения, как численного коэффициента объединяющего сразу несколько параметров экситонных линий и дающего информацию о силе осциллятора и поглощательной способности экситонов в кристалле. Изменения параметров происходили под влиянием изменений температуры образца или интенсивности приложенного магнитного поля. Анализ, оценка и соотнесение полученных данных с рассмотренными теоретическими моделями позволили определить основные параметры взаимодействия экситона и среды в исследуемых образцах. Одним из важнейших результатов был ответ на вопрос о возможности существования экситонного поляритона в условиях флуктуирующего потенциала в твердом растворе. В данной работе были поставлены следующие задачи:

1. Определить влияние деформационного расщепления валентных зон на ширину линии экситона и определить методику корректного определения параметров экситонной линии в том числе, в случае малых, или скрытых расщеплений.

2. Ввиду наличия вкладов неоднородного уширения и однородного уширения в экситонную линию найти теоретическую форму кривой, наилучшим образом описывающей форму экситонной линии и определить методику контурного анализа, учитывающую вклады континума и возбужденных состояний экситона.

3. Определить качественный характер и параметры светопоглощения в образцах полупроводникового твердого раствора АЬЮаЬхАз при разной температуре образца или напряженности магнитного поля, в которое помещен образец. V

4. В случае поляритонного характера светопоглощения в некоем диапазоне температур, выделить компоненту однородного уширения из наблюдаемого уширения и определить константы взаимодействия экситона с фононами и примесями.

5. Определить вклад неоднородного уширения, показать некорректность определения параметров взаимодействия экситона со средой через наблюдаемое уширение.

6. Исследовать зависимость ширины линии экситона от интенсивности магнитного поля

7. Изучить зависимость величины интегрального поглощения экситонного поляритона в магнитном поле.

8. Определить эффективные массы носителей заряда, используя данные магнитооптических измерений.

Выбор методов исследования определялся задачами исследования. Экспериментальные исследования поглощения экситонных линий хорошо изученным методом люминесценции описаны во многих источниках [2] и сравнительно просты, однако обладает тем фундаментальным недостатком, что она не позволяет исследовать, собственно, край поглощения — континуум и квазиконтинуум в силу «сваливания» носителей в экстремумы энергетических зон. По этой же причине, исследование магнитопоглощения образца, позволяющее определить зонные параметры и эффективные массы носителей заряда в кристалле, невозможно методами люминесценции. Метод анализа отражения позволяет исследовать толстые образцы, или же образцы на подложке, что так же облегчает задачу, но наличие «мертвого» слоя сильно ее осложняет - корректный учет этого слоя, ввиду его зависимости от многих факторов, затруднен [3, 85, 45]. В данном случае оптимален метод анализа спектров пропускания и отражения - он дает непосредственную информацию о виде спектра поглощения образца, а в случае проявления эффектов интерференции Фабри-Перо в образце, позволяет исключить эту помеху из спектров поглощения.

Изучение экситонного края поглощения твердого раствора состоит в выделении и анализе параметров экитонных состояний — достаточно узких особенностей спектра в районе края поглощения. Поэтому метод определения параметров экситонных линий состоял, прежде всего, в выделении изолированной экситонной линии из экспериментальных спектров. В дальнейшем производился контурный анализ экситонных линий, позволяющий методом подгонки известных кривых под экспериментальные данные связать искомые параметры с подгоночными коэффициентами для кривых. Анализ полученных с достаточной точностью параметров и данных, соотнесение их с литературными данными и теоретическими оценками, определение рода и характера процессов в кристалле позволяют вычленить искомую информацию об исследуемом явлении.

Предмет исследования данной работы - линия экситонного поглощения высокосовершенных твердых растворов А^Са^АБ (х=0.15, 0.209, 0.27). Подробный анализ выделенной из спектра поглощения экситонной линии позволял получать данные об ее форме и ширине, вычислять интегральное поглощение в зависимости от температуры и состава образца, а также в зависимости от интенсивности приложенного магнитного поля. Температурные зависимости интегрального коэффициента поглощения дают качественный ответ на вопрос о возможности существования экситонного поляритона в кристаллах твердого раствора АЫЗаЬхАэ [8, 69]. Основываясь на этой информации, становится возможным применение теории интегрального поглощения в среде с пространственной дисперсией, что позволяет определить параметры поляритона и связывать однородное уширение с константой затухания, также проясняя соотношение между однородной и неоднородной компонентами затухания [8]. Исследование однородной компоненты затухания позволяет проявить истинные параметры диссипативного нерадиационного рассеяния экситона в кристалле.

Исследования интегрального поглощения при разной интенсивности магнитного поля позволяют проанализировать и оценить достоверность результатов опытов по температурным зависимостям процессов экситон-фотонного и экситон-поляритон-фотонного взаимодействия, очевидно выявляя характер экситонного поведения в образцах данного класса [14, 15]. Включение магнитного поля как бы понижает температуру кристалла для компенсированных примесей — происходит «вымораживание» носителей на примесях. Анализ результата двух механизмов - увеличения и уменьшения интегрального поглощения твердого раствора позволяет на качественном уровне подтвердить выводы температурных экспериментов и дополнить существующие теории изменения формы экситонных линий с полем, не учитывающих описанного механизма.

По результатам проведенной работы выносятся на защиту следующие положения:

1. Деформационное расщепление экситонной линии полупроводниковых твердых растворов А1хОа1.хАз может остаться незамеченным при небольших концентрациях замещающей компоненты х, и восприниматься, в таком случае, как скрытое уширение, растущее пропорционально х. Учет деформационного расщепления необходим для корректного определения ширины экситонной линии и других параметров экситонного поглощения.

2. Уширение экситонной линии вследствие структурного беспорядка в твердом растворе Alo.15Gao.s5As более чем на порядок превосходит уширение вследствие взаимодействия экситона с фононами, дефектами и заряженными примесями (однородное уширение), т.е. является, в основном, неоднородным. Наблюдаемая ширина линии не может использоваться для определения параметров взаимодействия экситона и среды.

3. Форма экситонной линии в ПТР Alo.15Gao.85As определяется и однородным, и неоднородным уширением. Контурный анализ экситонных линий, проводимый с использованием функций Войта, одновременно учитывающих Гауссово (неоднородное) и Лоренцево (однородное) уширение, а также с учетом вкладов континуума и квазиконтинуума, позволяет наиболее точно зафиксировать параметры экситонной линии и сделать оценки соотношения однородной и неоднородной компонент уширения.

4. Температурная зависимость интегрального поглощения экситонной линии высокосовершенного твердого раствора Alo.15Gao.85As вплоть до критической температуры ГС=155К определяется экситон-поляритонными эффектами с учетом пространственной дисперсии и насыщается до Ктак = 90.2 эВ/см, что соответствует силе осциллятора экситона / = 1.16х10"4 в пересчете на элементарную ячейку и параметру продольно-поперечного расщепления Но)1Т = 0.101 мэВ.

5. Зависимость величины интегрального поглощения экситонной линии в высокосовершенном твердом растворе Alo.15Gao.85As от интенсивности приложенного магнитного поля при Т= 1.7К определяется конкуренцией двух механизмов изменения формы экситонной линии. Первый механизм уширяет экситонную линию во флуктуирующем потенциале твердого раствора, вследствие сжатия и утяжеления экситона в магнитном поле, и увеличивает ее интегральное поглощение вследствие роста силы осциллятора экситона. Второй механизм выражается в уменьшении интегрального поглощения экситонной линии из-за угнетения процесса рассеяния экситона на заряженных примесях — основном механизме, который обуславливает экситон-поляритонное поглощение и однородное уширение экситонной линии при низких температурах.

6. Экситон в твердом растворе Alo.15Gao.85As продолжает существовать в относительно сильных магнитных полях, таких что /? > 1, где /? = кО./2Яу (О-сумма циклотронных частот электрона и дырки, Ду-экситонный Ридберг) что позволяет наблюдать спектры диамагнитного экситона до У7=7Тл и определить основные зонные параметры и эффективные массы носителей заряда в этом полупроводнике.

Научная и практическая значимость результатов определяется тем, что:

1. Детально исследованы температурные зависимости ШЛ и ИП экситона в Alo.15Gao.s5As.

2. Установлено, что в полупроводниковом твердом растворе А10.15Са0 85А8 в диапазоне температур 0-155К светопоглощение в районе экситонного резонанса определяется экситон-поляритонными эффектами.

3. Из экспериментально измеряемой ширины линии выделены данные по однородному уширению экситонной линии в Alo.15Gao.85As и показано, что однородное уширение экситонной линии, определяемое параметрами диссипативного затухания, которое напрямую связано с материальными параметрами среды, на порядок меньше наблюдаемого уширения.

4. Показана необходимость учета деформационного расщепления экситонной линии в образцах со скрытым расщепленным состоянием экситона.

5. Для описания формы экситонной линии в полупроводниковом твердом растворе использовались контуры Войта, одновременно учитывающие однородное и неоднородное уширение.

6. Впервые был показан немонотонный ход зависимости интегрального поглощения экситонной линии в Alo.15Gao.85As при изменении интенсивности магнитного поля.

7. Разработана процедура определения параметров взаимодействия экситона со средой посредством изучения однородного уширения экситонной линии, извлекаемого из опытных данных с учетом деформационного расщепления и. перекрытия экситонной линии с квазиконтинуумом и континуумом состояний.

8. Предложенное использование контуров Войта для контурного анализа экситонной линии в АЦСа^хАэ повышает точность измерения ее параметров.

9. Продемонстрирована возможность повышения точности определения параметров экситонной линии путем учета ее деформационного расщепления.

10. Показано, что применение магнитного поля изменяет условия существования экситонного поляритона в кристаллах АЦОа^Аэ, как в сторону уменьшения интегрального поглощения, так и его увеличения в сильных магнитных полях.

11. Полученные данные могут быть использованы при построении приборов на основе А1хОа1.хАБ с использованием экситон-поляритонных эффектов.

По результатам проведенных исследований были опубликованы 3 статьи в реферируемых научных журналах [19], [46], [90] а также представлены доклады на 4 научных конференциях [41], [101], [39], [36].

Структурно диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа содержит 183 страниц, 49 рисунков и 97 библиографических ссылок.

Результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Были получены температурные зависимости экситонных ширины линии и интегрального поглощения в полупроводниковой твердом растворе Alo.15Gao.85As. Использовалась техника, позволяющая детально учесть вклады континуума и квазиконтинуума в наблюдаемую ширину линий в целях получения достоверных данных

2. Была показана необходимость учета «скрытого» деформационного расщепления экситонной линии, как влияющего на определение ее ширины и установлена процедура учета этого механизма уширения для точного определения искомых параметров.

3. Был показан экситон-поляритонный характер температурной зависимости интегрального поглощения экситонной линии для твердого раствора Alo.15Gao.85As, имеющий место в интервале температур 0 - 155К с параметрами экситонного поляритона Псо1Т =0.101 мэВ, Гс=0,32 мэВ, КМХ1=90.2 эВ/см, или силе осциллятора экситона / = 1.16 х 10~* в пересчете на элементарную ячейку.

4. Были получены данные по однородному уширению экситонной линии в Alo.15Gao.85As. Показано, что истинное уширение экситонной линии, определяемое параметрами диссипативного затухания, которое напрямую связано с материальными параметрами среды, на порядок меньше наблюдаемого неоднородного уширения в температурном диапазоне 0-155К. Показано, что наблюдаемая ширина линий не может быть использована для определения характеристик экситон-фотонного взаимодействия в среде, а свидетельствует, в первую очередь, о структурном беспорядке кристалла.

5. Было показано, что экситон в «сильном» магнитном поле в Alo.15Gao.85As не разрушается- вплоть до Н=7Тл, что позволяет наблюдать спектры диамагнитного экситона и извлекать информацию о зонных параметрах, в частности, об эффективных массах носителей заряда в кристалле.

6. Впервые была получена и проанализирована зависимость величины интегрального поглощения Alo.15Gao.85As от интенсивности магнитного поля при 7М.7К и показан ее немонотонный характер, обусловленный наличием конкурирующих механизмов изменения ширины и амплитуды экситонной линии.

7. Анализ зависимостей ширины линии от магнитного поля показал, что наблюдаемая ширина экситонной линии в образцах Alo.15Gao.85As незначительно зависит от поля до значений порядка 3.5Тл, а после характеризуется монотонным ростом, описываемым как результат увеличения трансляционной массы экситона и как результат усреднения флуктуаций потенциала по объему экситона в силу его уменьшения в магнитном поле. Наблюдаемый спад зависимости ширины экситонной линии от интенсивности магнитного поля в районе 1.5-2Тл может быть отнесен на счет уменьшения однородной компоненты уширения экситонной линии в магнитном поле.

Автор благодарит своего научного руководителя профессора, доктора физико-математических наук, академика РАЕН Рубена Павловича Сейсяна, который сделал возможной данную работу своей неустанной заботой и дальновидным руководством. Автор выражает благодарность Наталье Дмитриевне Ильинской за незаменимые услуги в изготовлении образцов, Сергею Ильичу Кохановскому за обучение теории и практике спектроскопии и посильную помощь, а также сотрудникам лаборатории физической и функциональной электроники, проявившим участите и готовность делиться опытом.

Заключение

В работе было выполнено комплексное сравнительное исследование зависимостей ширины линии экситона и его интегрального поглощения в квазибинарных высокосовершенных твердых растворах А1хОа1хАз. Во введении были положены цели и задачи исследования, дан предмет исследования, определены методы решения задач. В первой главе приводились основные предпосылки к уширению линий экситона и особенностей поведения его интегрального поглощения при изменении температуры и магнитного поля. В последующих главах описывались проведенные эксперименты, методики обработки данных, результаты. Из результатов экспериментов извлекалась необходимая информация, делались оценки и строились зависимости величин, производились качественные выводы и количественные расчеты параметров взаимодействия экситона со средой.

1. Экситоны, под ред. Е.И. Рашбы, М.Д. Стержа (М.Д985)

2. Ю. И. Уханов. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1997. -368с.

3. Р.П. Сейсян. Спектроскопия диамагнитных экситонов. (М., Наука, 1984)

4. С.И. Пекар. Кристаллооптика и добавочные световые волны (Киев, Наук, думка, 1982)

5. М. Lifshitz, Adv. Phys. 1965.- V13.- Р.483.

6. А.С. Давыдов. Теория твердого тела (М., Наука, 1976)

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

8. Н.Н. Ахмедиев. Роль пространственной дисперсии в поглощении света экситонами // ЖЭТФ.-1980.-Т.79

9. Н.Н. Аблязов, М. Э. Райх, Ал. Л. Эфрос. Ширина линии экситонного поглощения в твердых растворах // ФТТ.-1983.-25.-С.353

10. E.D. Jones, R.P. Schneider, S.M. Lee, K.K. Bajaj. Magnetic-field-dependent excitonic photoluminescence linewidth in Ino.48Gao.52P semiconductor alloys // Phys.Rev.B. 1992.-V.46. - P. 7225

11. R.A. Mena, G.D. Sanders, and K.K. Bajaj, S.C. Dudley. Theory of the effect of magnetic field on the excitonic photoluminescence linewidth in semiconductor alloys // J. Appl. Phys. 1991.- vol. 70, no3, pp. 1866-1868

12. G. Goli, K.K. Bajaj, J.L. Reno, and E.D. Jones. Excitonic diamagnetic shifts and magnetic field dependent linewidths in AlxGaixAs alloys // Mat.Res.Soc.Symp.Proc. -2002.-P.344

13. S.M. Lee and K.K. Bajaj. Excitonic Diamagnetic Shifts and Magnetic Field Dependent Linewidths in AlxGai.xAs Alloys // Progress in Semiconductor Materials for Optoelectronic Applications Symp. (Boston, Massachusetts, 2001)

14. M. Э. Райх, Ал. Л. Эфрос. Уширение линии диамагнитного экситона в твердых растворах // ФТТ.-1984.-Т.26.-1.-С.106

15. С.И. Кохановский, Ю.М. Макушенко, Р.П. Сейсян, Ал.Л.Эфрос. Ширина линии экситонного поглощения в твердых растворах InxGat.xAs/InP // ФТТ.-1990.-Т.32.-4.-С.999

16. А.Л. Полякова. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов. (М.Энергия: 1979)

17. Sadao Adachi. GaAs, AlAs and AlxGaixAs: Material parameters for use in research and device application// J. Appl. Phys.,-1985.-V.58.-3, pp.Rl-R29

18. O. Goede, L. John, and D. H. Hennig. Phys. Stat. Sol. B.-1978.- V.89, K183

19. M.C. Маркосов, Р.П. Сейсян. Ширина линии экситонного поглощения в твердых растворах AlxGaKxAs // ФТП.-2009.-Т.43.-В.6.

20. S.M. Lee and К.К. Bajaj. A quantum statistical theory of linewidths of radiative transitions due to compositional disorder in semiconductor alloys // J.Appl.Phys.-1993.-73.-P. 1788

21. P.A. Fedders //Phys.Rev.B.-1982.-B25.-P.3846

22. В. А. Гельмонт // ФТП.-1974.-Т.8.-С.2377

23. Г.Н. Алиев, O.C. Кощуг, Р.П. Сейсян. Высокотемпературная граница эффективности экситон-поляритонных процессов в кристаллах теллуридов кадмия и цинка // ФТТ.-1994.-Т.36.-Н.2.-С.373

24. R. Le Toullec, N.Piccoli and J.C. Chervin. Optical properties of the band-edge exciton in GaSe exciton in GaSe crystals at 10K // Phys.Rev.B.-1980.-V.22.-N.12

25. A. L. Efros and M. E. Raikh, in Optical Properties of Mixed Crystals, edited by R. J. Elliot and I. P. Ipatova (Elsevier, Amsterdam, 1988), p. 133.

26. A.R. Goni, A. Cantarero, K. Syassen and M. Cardona. Effect of pressure on the low-temperature exciton absorption in GaAs// Phys.Rev.B. 1990.-V.41.-N.14

27. Абдуллаев М.А. Квазиландаусское магнитопоглощение «ридберговских» состояний экситона в полупроводниках. Докт. Диссер. СПб, ФТИ. 2006

28. P. Kinsler, D.M. Whittaker. Line width narrowing of polaritons // Phys. Rev. B.-1996,-V.54, 4988.

29. L.Paveci, M.Guzzi. Photoluminescence of AlxGai.xAs alloys // J. Appl. Phys. -1994.-75,4779.

30. B.M. Устинов. Полупроводниковые наногетороструктуры для СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем. // Тезисы докладов международного семинара по опто- и наноэлектронике. СПб.: Из-во Политехи, ун-та, 2008.51 с.

31. К. • S. Zhuravlev, A. I. Toropov, Т. S. Shamirzaev, and А. К. Bakarov. Photoluminescence of high-quality AlGaAs layers grownby molecular-beam epitaxy // Appl.Phys.Letter, 2000.- V.76- N.9.

32. Landolt-Bornstein. Numerical Data and Functional Relationshipin Science and Technology. New Series: Group III, v. 17. Physics of Group IV Elements and III-V Compounds, ed. by O. Madelung (Springer Verlag, 1982).

33. V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, N.N. Ledentsov, M.V. Maksimov, A.F. Tsatsulnikov, N.A. Bert, A.A. Kosogov, P.S. Kop.ev, Zh.I. Alferov, D. Bimberg. Proc. Mater. Res. Soc.(Boston, USA, 1995) v. 417, p. 141.

34. I. Bisotto*, B. Jouault, A. Raymond, W. Zawadzki, and G. Strasser. Donor ionization energy in bulk GaAs for different donor concentrations and magnetic fields //Phys. Stat. Sol. (a).- 2005.-202,- 4, P.614-618

35. JI. Г. Суслина, Д.Л. Федоров, А.Г. Арешкин, В. Г. Мелехин. // ФТТ.-1983.-Т.25,-В.6

36. К. Sumanth and P.L. Hagelstein, IEEE J.Quantum Electron.-1994.-V.30.-P.2547

37. Y.Osaka, Y. Imai, and Y. Takeuti, J.Phys.Soc.Jpn. 24, 236 (1968)

38. Sumpf, В.; Beister, G.; Erbert, G.; Fricke, J.; Knauer, A.; Pittroff, W.; Ressel, P.; Sebastian, J.; Wenzel, H.; Trankle, G. // Photonics Technology Letters, IEEE.-2001.-V.13.-N.1. Pp.7 9

39. T.G. Kima, D.S. Kima, K.C. Kima, K.Y. Jangb, G.W. Moonb, J.I. Parkb, S.W. Leec, M.D. Kimd and J.H. Kohe.// Solid-State Electronics.-2005.-V.49.- N 10.-Pp 1674-1677

40. C.A. Ваганов. Канд. Диссер. СПб, ФТИ, 2007

41. Seisyan R.P., Kosobukin V.A.,Vaganov S.A., Markosov M.A., Shamirzaev T.A., Zhuravlev K.S., Bakanov A.K. and Toropov A.I. Phys. Stat. Sol. C. V2, 900 (2005).

42. A.H. Зайдель, Г.В. Островский, Ю.И. Островский. Техника и практика спектроскопии.-М.:Наука, 1976

43. S. Rudin, T.L. Reinecke, В. Segall. Phys. Rev. В. -1990, V.17,11218.

44. J. Singh and К. K. Bajaj, Appl. Phys. L&t. -1984,- V.44, 107.50. 3E. F. Schubert, E. 0. Gobel, Y. Horikoshi, K. Ploog, and H. J. Queisser, Phys. Rev. В.- 1984. V.30, 813.

45. E.L. Ivchenko. Spatial Dispersion Effects in the Exciton Resonance Region // Excitons / Ed. E.I. Rashba, M.D. Sturge. North-Holland, Amsterdam, 1982.

46. R.M. Datsiev, V.A. Kosobukin, N.V. Lul'yanova, R.P. Seisyan, M.R. Vladimirova. Exciton-polaritonic absorption in II-VI and III-V semiconducting "pre-quantum" layers and quantum wells // Electrochemical Society Proceedings — 2004.-V. 98-25.-P. 228-233.

47. J. Singh, K.K. Bajaj Quantum mechanical theory of linewidths of localized radiative transitions in semiconductor alloys // Appl. Phys. Lett.-1986.-48, 1077

48. Y. Yafet, R. W. Keyes, and E. N. Adams, J. Phys. Chem. Solids 1, 137 (1956).

49. Ж.И. Алферов а, Д. Бимберг б, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков а, П.С. Кольев а, Н.Н. Леденцов а, С.С. Рувимов, В.М. Устинов а, И. Хейденрайх // УФН.-1995.-165 224

50. Турбинер А.В. // Письма в ЖЭТФ.-1984.-Т.38.-Ж10

51. Лившиц Д.А., Егоров А.Ю., Кочнев И.В., Капитонов В.А., Лантратов В.М., Леденцов Н.Н., Налет Т.А., Тарасов И.С. // ФТП.-2001.-Т.35.-В.З

52. A. Polimeni,* G. Baldassarri Ho'ger vonHo'gersthal, F. Masia, A. Frova, and M. Capizzi et all. Tunable variation of the electron effective mass and exciton radius in hydrogenated AlGaAs. Phys. Rev. B.-2004.- V.6.- 041201

53. Delseny, C.; Pascal, F.; Jarrix, S.; Lecoy, G.; Dangla, J.; Dubon-Chevallier, C. Excess noise in AlGaAs/GaAs heterojunction bipolar transistors andassociated TLM test structures // Electron Devices.-1994.- V. 41, Issue 11

54. J.S. Nkoma. Phys. Status Solidi B, 97, 657 (1980).

55. C. Weisbush and R.G.Ulrich in Light Scattering in Solids III, edited by M. Cardona and G. Guntherodt (Springer-Verlag, Berlin, 1982), pp. 207-263

56. В.И. Сугаков, B.H. Хотяинцев. ЖЭТФ, 70, 1566 (1976)

57. S. Rudin, T.L. Reinecke, B. Segall. Errata. Phys. Rev. B. 52, N.15 (1995).

58. V.A. Kosobukin, R.P. Seisyan, S.A. Vaganov. Semicond. Sci.Technol.-1993.-V.8.- 1225.

59. P. Сейсян. Нанолитография СБИС в экстремально дальнем выкуумном ультрафиолете // ЖТФ.-2005.-Т.75.-В.5

60. JJ. Hopfield, Phys.Rev.-1958.-122, 1555

61. А.А. Лебедев. Полупроводниковая электроника на основе карбида кремния(81С): современное состояние и перспективы. Тезисы докладов международного семинара по опто- и наноэлектронике. СПб.: Из-во Политехи, ун-та, 2008.51 с.

62. S. A. Lourenc, I. F. L. Dias, J. L. Duarte, E. Laureto, L. C. Poc^Sjl D. O. Toginho Filho, and J. R. Leite. //Braz.Journ.of.Phys.-2007.-V.37, N.4,

63. Toyozawa Y. Prog. Theor. Phys. 20, 53 (1985); J. Phys. Chem. Solids.-1964.-V.25.-P.59

64. David W. Snoke. Excitonic Circuit: New Tools for manipulation Photons // Photonic Spectra, Jan., 2006.

65. S. Lai, M.V. Klein. Phys.Rev.Lett.-1980.-V.44, 1087

66. El Allali, M., S0rensen, C.B., Veje, E., and Tidemand-Petersson, P. Phys. Rev. B.-1993.-V.7, 4398.

67. B.M. Агранович, В. Л. Гинзбург. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория электронов. (М.:Наука, 1979)

68. G. Beadie and W. S. Rabinovich, D. S. Katzer, M. Goldenberg. Inhomogeneous broadening of intersubband transitions in In0.45Ga0.55As/A10.45Ga0.55As multiple quantum wells//Phys.Rev.B.-1997.-V55 N15

69. D.S. Gerber, G.N. Maracas. A Simple Method of Extraction of Multiple Quantum Well Absorption Coefficient from Reflectance and Transmittance Measurements // IEEE J.Quant. Electron. Oct., 1993. - V. 29. - N. 10.1. P. 2589-2595.

70. Microcavity lasers: Polariton cavity lases at room temperature // Laser Focus World.-2008.-V44.-12

71. A. Armitage, T. A. Fisher, M. S. Skolnick, D. M. Whittaker,* and P. Kinsler. Exciton polaritons in semiconductor quantum microcavities in a high magnetic field. Phys.Rev.B. -1997.-V.55.-N.24.

72. S. Rudin, T.L. Reinecke. Temperature-dependent exciton linewidths in semiconductor quantum wells // Phys.Rev.B. V41, N5 1990

73. B.A. Кособукин, M.M. Моисеева. ФТТ, 37, 3694 (1995)

74. Y.A. Kosobukin. Phys.Stat.Sol. B. V.108, 271 (1998)

75. W.C. Tait, Phys.Rev.B V5-1972

76. R. Loudon. J.Phys. A, 3, 233 (1970)

77. Сейсян Р.П., Варфоломеев A.B., Захарченя Б.П. Интенсивность магнитопоглощения и «возгорание» экситонного поглощения в германии. ФТП.- 1968.- Т.2. В.9. с. 1276-1280

78. Дьяконов М.И., Митчелл Д.Л., Эфрос А.Л. О возгорании экситонных линий в сильном магнитном поле. ФТТ.-1968.- т.10.- в.8. с 2561

79. B.M. Агранович. Теория экситонов. (M.: 1968)

80. Roth L.M., Lax В. Zwerdling S. Theory of optical magneto-absorption effects in semiconductors. Phys.Rev. 1959.- V.l 14.- N1, p.90

81. Р.П. Сейсян, B.A. Кособукин, М.С. Маркосов. Экситоны и поляритоны в полупроводниковых твердых растворах AlGaAs // ФТП.-2006.- В.11.-р. 1321

82. S. Permogorov, A. Reznitsky, S. Verbin, G.O. Miller, P. Flogel, M. Nikiforova. Phys. Status SolidiB.-1982.-V.113.-p.589.

83. И.И.Решина, С.В.Иванов, В.А.Кособукин, С.В.Сорокин, А.А.Торопов// ФТТ, 2003, том 45, выпуск 8

84. A. Klochikhin, A. Reznitsky, S. Permogorov, T. Breitkorf, M. Grun, M. Herrerich, С. Klingshirn, V. Lyssenko, W. Langbein, J.M. Hvam. Phys. Rev. B.-1999.-V.59.-p.12 947

85. S.R. Johnson and T. Tiedje. Temperature dependence of the Urbach edge in GaAs // J. Appl. Phys. 1995. -V.78.-P.5609

86. Burstein E., Picus G.S., WallisB. And Blatt F. Zeeman. Type magnetooptic studies of interband transitions in semiconductors. Phys.Rev.1959, 114, 15.

87. Masakatsu Umehara. Effect of alloy potential fluctuations on the exciton magnetic polaron in the bulk diluted magnetic semiconductors CdlÀxMnxTe // Phys.Rev.B.2003.- V.68.-N.19 (2203)

88. B.A. Кособукин. ФТТ.-2003.-Т.45, с. 1091I