Взаимодействие экситонов и носителей заряда в электрическом поле поверхностной акустической волны в GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода

Гуляев, Дмитрий Владимирович

Взаимодействие экситонов и носителей заряда в электрическом поле поверхностной акустической волны в GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Гуляев, Дмитрий Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Взаимодействие экситонов и носителей заряда в электрическом поле поверхностной акустической волны в GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода»

Автореферат диссертации на тему "Взаимодействие экситонов и носителей заряда в электрическом поле поверхностной акустической волны в GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода"

На правах рукописи

Гуляев Дмитрий Владимирович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭКСИТОНОВ И НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ В СаАвШАв СВЕРХРЕШЕТКАХ ВТОРОГО РОДА

01.04.10 — физика полупроводников

АФТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г 3 МАИ 2013

Новосибирск - 2013

005060092

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки институте физики полупроводников имени A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: Журавлев Константин Сергеевич, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики полупроводников имени A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник.

Официальные оппоненты: Милехин Александр Германович, доктор физико-математических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики полупроводников имени A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник.

Гриняев Сергей Николаевич, доктор физико-математических наук, доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, старший научный сотрудник.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук.

Защита состоится « И » июня 2013 года в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки институте физики полупроводников имени A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук по адресу 630090, г. Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки институт физики полупроводников имени A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан « 7 » мая 2013 года. Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук

Погосов Артур Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Одной из фундаментальных проблем физики полупроводников является проблема взаимодействия экситонов с электрическим полем. В зависимости от напряженности электрического поля диссоциация экситонов проходит по различным механизмам - термоэлектронной, туннельной или ударной ионизации. В последнее время данная проблема, помимо фундаментальной значимости, начинает приобретать практическое значение [С1]. Это связано с тем, что в низкоразмерных гетероэпитаксиальных структурах, которые лежат в основе всей современной опто-электроники, наблюдается увеличение энергии связи экситона, приводящее в широкозонных материалах к сосуществованию экситонов с носителями заряда даже при комнатной температуре и в сильных электрических полях [С2].

Описание процессов взаимодействия экситонов с электрическим полем в полупроводниках осложняется тем, что зачастую реальная величина и распределение напряженности электрического поля в исследуемой структуре неизвестны, поскольку в окрестностях дефектов происходит повышение напряженности поля и, как следствие, возможен пробой образца. Одним из альтернативных способов приложения электрического поля к структуре является использование поверхностных акустических волн (ПАВ). Использование ПАВ в качестве источника переменного электрического поля перспективно, поскольку позволяет исследовать взаимодействие экситонов с электрическим полем в широких интервалах напряженности без создания макроскопических токов в исследуемой структуре, что выгодно отличает этот способ от приложения постоянного электрического поля. Кроме того, в последнее время электрическое поле ПАВ, имеющее те же пространственные и временные характеристики, что и сама акустическая волна, стало активно использоваться для модификации оптических и транспортных свойств низкоразмерных структур [СЗ-С5]. В электрическом поле ПАВ наблюдается тушение фотолюминесценции (ФЛ) экситонов вследствие их диссоциации с последующим захватом электронов и дырок в максимумы и минимумы потенциала бегущей акустической волны [СЗ]. Разделение электронов и дырок вызывает кардинальное увеличение времени жизни неравновесных носителей заряда [С4] и дает возможность создания на основе ПАВ динамических низкоразмерных объектов [С5]. В то же время, к началу данной работы физика процесса, лежащего в основе наблюдаемых эффектов [СЗ-С5], не была исследована, а именно, не был установлен механизм диссоциации экситонов под действием переменного электрического поля ПАВ.

Целью паботы являлось экспериментальное исследование механизмов взаимодействия экситонов с электрическим полем, генерируемым поверхностной акустической волной.

В качестве объекта исследования были выбраны GaAs/AlAs сверхрешетки (CP) второго рода с большим временем жизни неравновесных носителей заряда [С6], что позволило исследовать влияние электрического поля ПАВ не только на стационарную экс иго иную ФЛ, но и на кинетику нестационарной ФЛ экситонов, и решить, таким образом, необходимые для достижения поставленной цели задачи:

1. Исследовать стационарную ФЛ экситонов под действием электрического поля ПАВ и изучить ее зависимости от напряженности электрического поля ПАВ, параметров структуры, интенсивности возбуждения и температуры.

2. Исследовать кинетические характеристики нестационарной ФЛ экситонов под действием электрического поля ПАВ при различных параметрах структуры, напрямую из эксперимента определив постоянные времени процессов рекомбинации и ионизации экситонов, и выявить механизм ионизации экситонов.

Новизна полученных результатов. Основные результаты и выводы работы получены впервые. Впервые исследовано влияние электрического поля, генерируемого стоячей ПАВ, на стационарную ФЛ и кинетику ФЛ экситонов. Установлено, что электрическое поле ПАВ способно инициировать различные процессы взаимодействия экситонов и свободных носителей заряда, при этом доминирование того или иного процесса зависит от начальной кинетической энергии экситонов и носителей заряда.

1. Обнаружено, что в случае взаимодействия термализованных экситонов с электрическим полем наблюдается первоначальное возгорание нестационарной ФЛ свободных экситонов при неизменной ФЛ локализованных экситонов с последующим ускорением кинетики затухания ФЛ сначала локализованных, а затем свободных экситонов. Продемонстрирована 100% анизотропия этих эффектов в CP GaAs/AlAs, выращенных на (ЗП)А-поверхности GaAs, в которых движение экситонов в направлении [011] ограничено модуляцией толщины слоев GaAs в данном направлении. Построена математическая модель, объясняющая наблюдаемые эффекты возгорания ФЛ свободных экситонов и последующего ускорения кинетики затухания ФЛ свободных и локализованных экситонов. Установлено, что причиной возгорания ФЛ является формирование экситонов из носителей заряда, выбрасываемых электрическим полем ПАВ с уровней широких квантовых ям (КЯ), образованных шероховатостями гетеро-границ. Показано, что ускорение кинетики экситонной ФЛ вызвано увеличением захвата экситонов на центры безызлучательной рекомбинации вследствие делокализа-ции экситонов при соударении с носителями заряда.

кализованы в направлении [Olí], анизотропия тушения стационарной ФЛ экситонов под действием электрического поля ПАВ составляет не более 20%. Построена математическая модель тушения стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле стоячей ПАВ, учитывающая как ударную ионизацию экситонов носителями заряда, так и захват на центры безызлучательной рекомбинации.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

1. Экспериментально установлены механизмы взаимодействия экситонов с переменным электрическим полем, модифицирующие такие важные для оптоэлектрон-ных приборов характеристики, как интенсивность стационарной ФЛ и время затухания ФЛ. Полученные данные важны и могут использоваться при конструировании приборов на основе экситонных переходов.

2. Разработан новый спектральный метод оценки формы рельефа гетерограниц двумерных структур, основанный на модификации кинетики нестационарной ФЛ в результате взаимодействия экситонов с носителями заряда, выбрасываемыми электрическим полем с уровней широких квантовых ям, образованных шероховатостями гетерограниц. Определены характерные параметры рельефа гетерограниц сверхрешеток GaAs/AlAs, выращенных на (311)А-ориентированной поверхности GaAs.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Формирование экситонов из носителей заряда, высвобождаемых импульсом продольного электрического поля с уровней широких квантовых ям, образованных шероховатостями гетерограниц двумерных структур, вызывает возгорание нестационарной ФЛ экситонов.

2. Переход экситонов из локализованного в свободное состояние в двумерных структурах при их соударении с носителями заряда, ускоренными в продольном электрическом поле, приводит к захвату экситонов на центры безызлучательной рекомбинации и, как следствие, к ускорению кинетики ФЛ свободных и локализованных экситонов.

3. Доминирующим механизмом ионизации экситонов при нерезонансном возбуждении в электрическом поле ПАВ напряженностью до 12 kB/см, приложенном к GaAs/AlAs сверхрешетках второго рода, является ударная ионизация экситонов свободными носителями заряда, описываемая соотношением Таунсенда-Шокли.

4. Анизотропия эффектов, наблюдаемых в кинетике нестационарной ФЛ и стационарной ФЛ (ЗП)А-структур под действием электрического поля, обусловлена модуляцией толщины слоев в направлении [011], создающей энергетические барьеры для носителей заряда и экситонов и, следовательно, препятствующей их взаимодействию.

Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе, докладывались на VI, VII, VIII и X Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-

Петербург, 2003; Москва, 2005; Екатеринбург, 2007; Нижний Новгород, 2011); IX Международной конференции по физике и технологии тонких пленок (Украина, 2003); 22 международной конференции по дефектам в полупроводниках (Дания, 2003); Пятой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт Петербург, 2003); 20 общей конференции отделения твердого EPS (Чехия, 2004); Международной конференции по сверхрешеткам, наноструктурам и наноприборам (Мексика, 2004); 9 конференции по оптике экситонов в ограниченных системах (Великобритания, 2005); 14 Международной конференции по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (США, 2005); VII международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" (Ульяновск, 2006); 28, 29 и 31 Международных конференциях по физике полупроводников (Австрия, 2006; Бразилия, 2008; Швейцария, 2012); Международной школе для молодых ученых "Nanostructure materials, applied optics and photonics" в рамках работы 16 Международного симпозиума "NANOSTRUCTURES: PHYSICS AND TECHNOLOGY" (Владивосток, 2008); Международной конференции по формированию полупроводниковых поверхностей (Германия, 2009); XIV Международному симпозиуму по люминесцентной спектроскопии (Чехия, 2010); 16 всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010); XII международной школы-семинара по люминесценции и лазерной физике (Хужир, 2012); XIII Международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике (бухта Песчаная, 2012).

Личный вклад автора состоит в подготовке и проведении экспериментов, анализе полученных данных, разработке модели и проведении расчетов, написании статей.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей в реферируемых научных журналах [А1-А7], а также тезисы докладов в трудах различных конференций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 168 страниц, включая 50 рисунков и 1 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 141 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, изложены основные защищаемые положения, указана их научная новизна и практическая ценность, дана краткая аннотация полученных результатов.

Первая глава является обзорной. В этой главе приводится обзор литературных

данных по влиянию переменного электрического поля, генерируемого ПАВ на энергетический спектр и рекомбинацию неравновесных носителей заряда в объемных полупроводниках и низкоразмерных структурах. Во втором параграфе приводятся данные по энергетическому спектру и ФЛ ОаАз/А1А5 СР второго рода, являющихся основным объектом исследований в данной работе. Помимо этого, в третьем параграфе проводится обзор литературных данных по рельефу гетерограниц и энергетической структуре ОаА5/А1Аз сверхрешеток второго рода, выращенных на (3 Неориентированной поверхности ваЛв, поскольку методика, основанная на обнаруженном и изложенным в главе 3 данной диссертации влиянии ПАВ на спектры и кинетику ФЛ экситонов, позволяет оценить рельеф гетерограниц исследуемой структуры.

Во второй главе рассмотрены методические вопросы исследования. В параграфе 2.1 описываются исследовавшиеся в работе образцы — сверхрешетки ваАБАМАэ второго рода, а так же приводятся условия получения образцов методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Помимо этого, в первом параграфе рассматриваются методики контроля параметров исследованных структур (высокоразрешающей электронной микроскопии, масс-спектрометрии вторичных ионов).

В параграфах 2.2 п 2.3 приведено описание экспериментальных установок регистрации спектров стационарной и нестационарной ФЛ, кинетики ФЛ. Установки смонтированы на основании спектрометра СДЛ-1. Возбуждение ФЛ проводилось либо непрерывным Не-№ лазером (>.=632,8 нм), либо полупроводниковым лазерным диодом (>.=640 нм), позволяющим работать в импульсном режиме. Регистрация ФЛ проводилась ФЭУ с фотокатодами 8-1 и 8-20 в режиме счета фотонов. Для измерения спектров низкотемпературной ФЛ использовалась криостатная система с кварцевыми окнами, прозрачными в используемом диапазоне длин волн.

В параграфе 2.4 рассматривается бесконтактная методика приложения электрического поля ПАВ к исследуемым образцам, основанная на расположении исследуемого образца на малом расстоянии от поверхности пьезоэлектрического кристалла, а так же методики измерения стационарной ФЛ и кинетики ФЛ образцов в этом поле. Прижатый к поверхности пьезоэлектрика образец находится под действием переменного электрического поля, поскольку электрическое поле ПАВ затухает вне пьезоэлектрика на расстоянии более длины волны (40 мкм). При этом, тангенциальная компонента электрического поля в исследуемом образце остается неизменной (12,3 кВ/см), а максимальное значение нормальной к поверхности образца компоненты электрического поля ПАВ уменьшается до 500 В/см из-за разницы диэлектрических постоянных 1лЫЬ03 (е=2,3) и ОаАз/АЬАв (е«13) сверхрешетки. Возбуждение и регистрация ФЛ при этом проводятся сквозь прозрачный в используемом спектральном диапазоне кристалл ниобата лития.

Третья глава посвящена результатам исследования влияния электрического поля стоячей ПАВ на стационарную ФЛ и кинетику ФЛ ОаАз/А1Аз структур второго

рода, выращенных на (ЮО)-ориентированной поверхности ваАз. В параграфе 3.1. описывается тушение стационарной ФЛ сверхрешеток ОаАзЛМАя второго рода под действием электрического поля стоячей ПАВ (рис. 1). Представлены зависимости степени тушения ФЛ экситонов (1г1п(Р))/1о от напряженности (рис. 1) и частоты электрического поля ПАВ, от мощности лазерного возбуждения.

Для описания поведения стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле используется система уравнений непрерывности для стационарных концентраций экситонов и носителей заряда:

Л dn

■- 0 = ~N,„ (o)rad + rnnmmJ + ffl,.„„(F)) + п2о>^

= 0 = G - nSAW (F)e> -па.

(2),

^^ - ' .l.-m ' capture

учитывающая следующие процессы: G — генерацию носителей заряда, формирование экситонов (n(Oform)), излучательную (Nexce)rad) и безызлучательную (j4exco)„„nrad) рекомбинацию экситонов, ионизацию экситонов (Nexca>l0„(F')), захват электронов и дырок в минимумы и максимумы потенциала ПАВ а так же захват носителей

заряда на центрах безызлучательной рекомбинации (по\артк).

Проанализированы различные механизмы ионизации экситонов в переменном электрическом поле. Показано, что только ударная ионизация экситонов свободными носителями заряда, подчиняющаяся закону Таунсенда - Шокли [С7]:

, где Ев - энергия связи экситона, lejj— длина свободного про-

бега носителей заряда, F — напряженность электрического поля ПАВ, объясняет по-

Энергия, эВ 1.82 1.8 1.78 1 76 1.74 1.72

Длина волны, нм Р, кВ/см

Рисунок 1. Слева) Спектры стационарной ФЛ сверхрешетки СаАз/А1Аэ с нижним электронным состоянием Х2 под действием электрического поля ПАВ различной напряженности (РЕ и ЕЕ линии свободных и локализованных экситонов, разрешающиеся только в спектрах нестационарной ФЛ СР). Справа) Экспериментальные (точки) и расчетные (кривые) зависимости степени тушения стационарной ФЛ эксш"0Н0в от напряженности электрического поля ПАВ при разной мощности лазерного возбуждения. /„ - интенсивность ФЛ экситонов в отсутствие электрического поля ПАВ, 1рь(Ю - интенсивность ФЛ в максимуме амплитудно-частотной характеристики ПАВ.

лученные экспериментальные зависимости (рис. 1). При этом, степень тушения стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле стоячей ПАВ определяется не только ионизацией экситонов, но и захватом носителей заряда на центры безызлучательной рекомбинации. В отсутствие в структуре каналов безызлучательной рекомбинации для носителей заряда {а)трЫге&0) интенсивность стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле не меняется. Это объясняется тем, что в потенциале стоячей ПАВ, захваченные в пучности электроны и дырки, остаются в точке фотогенерации и, следовательно, способны сформировать экситон и рекомбинировать.

Результаты, обсуждаемые в параграфе 3.1, представлены в работах [А2-АЗ,А7].

В параграфе 3.2. приведены результаты исследования влияния электрического поля на кинетику ФЛ экситонов в СР ОаАэ/АЬАз с нижним электронным состоянием Х2. Проводится идентификация наблюдаемых в спектрах нестационарной ФЛ линий как линий свободных и локализованных на уровнях широких квантовых ям, образованных шероховатостями гетерограниц, экситонов. Сообщается об экспериментальном обнаружении в кривых затухания ФЛ сверхрешеток ОаАз/А1Аз второго рода возгорания ФЛ свободных экситонов под действием электрического поля напряженностью больше 3 кВ/см (рис. 2). Интенсивность ФЛ локализованных экситонов и фононных повторений в этот момент остается неизменной. После чего с задержкой, достигающей микросекунды, происходит ускорение кинетики ФЛ сначала локализованных экситонов и фононных повторений (т/"Е), а затем кинетики ФЛ свободных экситонов (т/Е). Следует отметить, что в случае длительных импульсов электрического поля кривые затухания ФЛ всех типов экситонных переходов возвращаются к своему обычному закону затухания еще во время действия импульса электрического поля и в дальнейшем уже никак не реагируют на приложенное электрическое поле. Исследуются зависимости этих эффектов от напряженности электрического поля, длительности импульса электрического поля, времени задержки между импульсами лазера и электрического поля, температуры измерений, легирования образцов.

Для определения закона, которому следует ускорение кинетики ФЛ экситонов в электрическом поле - й>„;у;екривые затухания ФЛ экситонов аппроксимировались модифицированной с учетом влияния электрического поля формулой Кляйна [С8]

= -(I + 2й),() 2. Оказалось, что эта зависимость ае,/к.ы(Р),

также как и в случае тушения стационарной ФЛ Хг экситонов под действием электрического поля, аппроксимируется законом Таунсенда-Шокли (рис. 2). Параметры аппроксимации <4../ ),сы(Р) для Хг сверхрешетки ОаАз7/А1А59 составили ЕА/1е]Г= (0,8+0,1>104 эВ/см.

Результаты, представленные в параграфе 3.2, опубликованы в работах [А4-А6]. Обсуждение результатов проводится в параграфах 3.4 и 3.5.

Время, МКС р. к8'™

Рис. 2. Слева) Кривые затухания ФЛ линий свободных (1,2) и локализованных (3,4) Хг экситонов в СР ОаА57/А1Аз9 без (1, 3) и под действием (2, 4) импульса электрического поля. Справа) Экспериментальные и расчетные зависимости вероятности процесса, приводящего к ускорению кинетики ФЛ экситонов от напряженности электрического поля.

В параграфе 3.3. проведено исследование влияния электрического поля на кинетику ФЛ сверхрешеток ОаЛйММэ с нижним электронным состоянием Хху. В таких СР симметрия нижних электронных состояний не позволяет им смешиваться с Г состояниями в отсутствие случайных флуктуаций потенциала, вследствие чего рекомби-национные процессы экситонов не способны конкурировать с механизмом, вызывающим ускорение кинетики ФЛ экситонов. Это дает возможность не учитывать эти процессы при аппроксимации кинетики ФЛ экситонов и, следовательно, более точно определить закон, описывающий ускорение кинетики ФЛ экситонов в электрическом поле. Оказалось, что зависимость аефш(Р) для Хх-у экситонов, также как и в случае Хг экситонов, хорошо описывается законом Таунсенда-Шокли (рис. 2) [С7]. Отличаются только параметры аппроксимации, для Ххг сверхрешетки СаАз7/А1А827 составившие £У/«йг(1,3±0,1>104 эВ/см.

Результаты, представленные в параграфе 3.3, опубликованы в работе [А1].

Параграф 3.4 посвящен обсуждению механизмов, способных привести к возрастанию интенсивности ФЛ свободных экситонов под действием электрического поля. Показано, что это возгорание связано с ростом концентрации экситонов, поскольку с ростом времени задержки между лазерным импульсом и моментом приложения импульса электрического поля, и, следовательно, с уменьшением концентрации экситонов относительное увеличение интенсивности ФЛ свободных экситонов в электрическом поле возрастает. При этом, увеличение концентрации экситонов может быть объяснено только формированием дополнительных экситонов, так как в момент возгорания ФЛ свободных экситонов интенсивность ФЛ локализованных экситонов не меняется (рис. 2). Для этого процесса необходимо появление свободных носителей заряда, которые могут выбрасываться электрическим полем только с уровней широких КЯ, образованных шероховатостями гетерограниц структуры. Энергия локализации таких уровней составляет 6±2 мэВ (рис. 1), что сопоставимо с энергией приобре-

таемой носителями заряда в электрическом поле. Этот вывод подтверждается отсутствием изменений в кинетике ФЛ под действием электрического поля при опустошении этих уровней, например, при повышении температуры до 20 К (кТя2 мэВ), при легировании структур, или при применении повторного импульса электрического поля.

Результаты, обсуждаемые в параграфе 3.4, представлены в работах [А4-А6].

В параграфе 3.5 обсуждается механизм, обуславливающий ускорение кинетики ФЛ всех типов экситонных переходов в электрическом поле. Показано, что хотя ускорение кинетики ФЛ экситонов в электрическом поле описывается законом Таунсенда-Шокли, оно не связано с ударной ионизацией экситонов свободными носителями заряда. Ионизация экситонов сопровождается увеличением концентрации носителей заряда, тогда как кривые затухания ФЛ СР наоборот возвращаются к своему обычному закону затухания еще во время действия электрического поля из-за уменьшения концентрации свободных носителей заряда. Поэтому было высказано предположение, что энергии, передаваемой термализованным экситонам при взаимодействии со свободными носителями заряда, недостаточно для их ионизации, но хватает для выброса экситонов с уровней широких КЯ, образованных шероховатостями гетерограниц. Этот процесс инициирует транспорт свободных экситонов к центрам безызлучатель-ной рекомбинации, что ускоряет кинетику ФЛ в электрическом поле.

Предложенная модель, связывающая ускорение кинетики ФЛ экситонов в электрическом поле с захватом свободных экситонов на центры безызлучательной рекомбинации, подтверждается тем, что ускорение кинетики ФЛ свободных экситонов начинается с задержкой после ускорения кинетики ФЛ локализованных экситонов (рис. 3), т.е. экспериментально подтверждается переход экситонов из локализованного состояния в свободное состояние.

Для описания временной задержки между ускорением кинетики ФЛ свободных и локализованных экситонов, а также между ускорением кинетики ФЛ и появлением импульса электрического поля в точке фотогенерации была записана система уравнений непрерывности для концентраций свободных и локализованных экситонов и носителей заряда, учитывая захват и выброс носителей заряда и экситонов с локализованных состояний. Результирующая система уравнений имеет вид:

= +0)Мос (3)

= + ^ .АГ„(0-в»«« .ЛГ„(») (4)

1 = + ®а;ос_С"1С (0 (5)

^^- = -<»ЛЬс_с"1.с(.() +®1ос_с"Рс(') (6)

Для решения системы линейных дифференциальных уравнений применялись

численные методы. Оказалось, что предложенная система уравнений непрерывности достаточно хорошо описывает поведение кинетики экситонной ФЛ в электрическом поле (рис. 3) при выполнении следующих условий: 1) вероятность захвата экситонов на центры безылучательной рекомбинации много больше вероятности делокализации экситонов, т.е. захват экситонов на центры безызлучательной рекомбинации ограничен вследствие их локализации [С9] 2) вероятность локализации свободных экситонов в электрическом поле составляет порядка 106 с'1, что существенно меньше вероятности, ожидаемой для процесса испускания ЬА фононов (~Ю10-10" с"1). Мы предполагаем, что это может быть объяснено тем, что продольное электрическое поле разогревает экситоны и препятствует их обратной локализации.

Следует отметить, что делокализация экситонов с уровней широких КЯ с их последующим захватом на центры безызлучательной рекомбинации не объясняет тушение стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле стоячей ПАВ, поскольку при использовании этого механизма - со^^/Р) в системе уравнений (1-2) вместо ударной ионизации экситонов пропадает зависимость расчетной степени тушения стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле стоячей ПАВ от мощности лазерного возбуждения.

Таким образом, взаимодействие экситонов с носителями заряда, ускоренными в электрическом поле в эксперименте со стационарной ФЛ, приводит к ударной ионизации экситонов (Ев - 12-17 мэВ), тогда как в эксперименте по кинетике ФЛ только к делокализации экситонов с уровней широких квантовых ям (Да — 4-6 мэВ). Такое отличие объясняется тем, что в кинетике ФЛ, к моменту приложения импульса ПАВ, носители заряда успевают термализоваться и локализованы на уровнях широких КЯ, образованных шероховатостями гетерограниц, тогда как при стационарном возбуждении ФЛ кинетическая энергия носителей заряда остается выше тепловой вследствие следующих процессов: 1) постоянной нерезонансной генерации в слоях ваЛв новых

я, кВ/см Время, МКС

Рис.3. Слева: Длительность увеличения интенсивности ФЛ свободных Хг экситонов (тщах) и время задержки до ускорения кинетики ФЛ свободных (т/Е) и локализованных (т/6) экситонов. Справа: Экспериментальные (сплошные) и рассчитанные (пунктирные) в соответствии с системой уравнений непрерывности кривые (3-6) кривые затухания ФЛ линии свободных Хг экситонов под действием электрического поля различной напряженностью (1) 3, (2) 6 и (3) 12 кВ/см.

носителей заряда с энергией порядка 10 мэВ 2) рассеяния электронов из Г долины слоя GaAs в нижележащую на 100 мэВ Xz подзону проводимости слоя AI As с сохранением части этой энергии. Поэтому полученные нами результаты по кинетике ФЛ экситонов подтверждают один из выводов главы 3 о том, что доминирующим механизмом ионизации экситонов в продольном электрическом поле ПАВ является ударная ионизация экситонов горячими носителями заряда. Ударная ионизация экситонов под действием продольного электрического поля ПАВ напряженностью до 12 кВ/см не наблюдается в кинетике ФЛ экситонов только по причине недостаточной длины свободного пробега электронов в исследованных образцах.

Результаты, обсуждаемые в параграфе 3.1, представлены в работе [А1].

В четвертой главе проведено исследование влияния электрического поля стоячей ПАВ на стационарную ФЛ и кинетику ФЛ (311)А-сверхрешеток GaAs/AlAs второго рода, в которых из-за гофрировки поверхности гетерограниц, приводящих к формированию энергетических барьеров в направлении [011], можно разделить эффекты, связанные с участием термализованных и горячих экситонов и носителей заряда. В параграфе 4.1 рассматриваются характерные особенности спектров стационарной ФЛ (311)А-сверхрешеток, указывающие на гофрировку поверхности гетерограниц. Показано, что большая амплитуда флуктуаций толщины слоев в (311)А-СР проявляется в уширении экситонных линий ФЛ до 14 мэВ. Ограничение этими флук-туациями движения носителей заряда вызывает уменьшение их безызлучательной рекомбинации и, следовательно, возрастание интенсивности ФЛ структуры. Сообщается о появлении сильной оптической анизотропии в 25%, свидетельствующей о наличии на гетерограницах структуры микроканавок, ориентированных вдоль направления [233], с характерным латеральным размером в направлении [011] сравнимым с Боровским радиусом экситона, составляющим 5-6 нм.

В параграфе 4.2 сообщается об экспериментальном обнаружении в (311)А-структурах анизотропии тушения стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле. Приложение поля максимальной напряженности 12 кВ/см в направлении [233], т.е. вдоль направления микроканавок приводит к 70 % тушению интенсивности ФЛ (311) А— структуры, тогда как приложение такого же поля в направлении [011], т.е. поперек

0.7 0.6 : 0.5 0.4 ЬО.З 10.2 ' 0.1 00

....., ... 1 ...... . ....../":

3 :

..........

10 12

0 2 4 6 8 Р. кВ/си

Рис. 4. Экспериментальные (1, 3) и расчетные (2, 4) зависимости степени тушения ФЛ экситонов в (311)А-СР от напряженности электрического поля. Электрическое поле прикладывается поперек (3, 4) и вдоль (I, 2) направления микроканавок.

направления микроканавок вызывает уменьшение интенсивности ФЛ этой структуры только на 50% (рис. 4). Показано, что тушение стационарной ФЛ (311)А-структур в электрическом поле связано с ударной ионизацией экситонов свободными носителями заряда. При этом появление анизотропии тушения ФЛ экситонов в (311)А— структурах в электрическом поле, ориентированном поперек микроканавок объяснено наличием энергетических барьеров, затрудняющих ударную ионизацию экситонов носителями заряда вдоль направления [011].

Для оценки амплитуды модуляции толщины слоев в исследованных (311)А-структурах проведено сравнение кинетической энергии, приобретаемой носителями заряда в электрическом поле, с возможными энергетическими барьерами для электронов и дырок в слоях AlAs и GaAs. По вопросу об амплитуде модуляции толщины слоев GaAs в направлении [Oll] в (311)А-ориентированных GaAs/AlAs структурах в литературе существует единое мнение - она составляет 2,0 нм. Отличаются только латеральные размеры микроканавок в направлении [011] в слое GaAs, составляющие по различным источникам от 3,2 [СЮ] до десятков нм [С11]. Амплитуда модуляции толщины слоев AlAs в направлении [011] в настоящее время окончательно не установлена. По одним данным [СЮ] модуляция толщины слоев AlAs, также как и в случае слоя GaAs, достигает 2,0 нм. По другим данным слои AlAs оказываются слабомоду-лированными по толщине и характеризуются относительно небольшой флуктуацией толщины слоев при характерном латеральном размере микроканавок в десятки нанометров [С 11] (рис. 5).

L. нм

Рис. 5. По краям: Схематичное изображение (311)А-сверхрешеток в случае А) периодической гофрировки гетерограниц [СЮ] В) апериодичного волнообразного рельефа гетерограниц с характерным латеральным размером в направлении [011] в десятки нанометров [С11]. Б) Зависимость кинетической энергии, приобретаемой носителями заряда в электрическом поле ПАВ, от латеральных размеров микроканавок. Пунктирная линия - энергия без учета изначальной кинетической энергии носителей заряда, сплошная линия - энергия с учетом начальной кинетической энергии электронов в 20 мэВ. Белые точки - энергетические барьеры для дырок в слоях GaAs, черные точки - энергетические барьеры для электронов в слоях AlAs. L - латеральные размеры микроканавок в направлении [011]. (3) - область полученных нами значений энергетических барьеров для электронов. Напряженность электрического поля составляет 12 кВ/см. HI и Н2 - модуляция толщины слоев AlAs и GaAs, соответственно.

Оказалось, что дырки в используемых электрических полях в любом случае остаются локализованными в микроканавках и не дают вклада в тушение стационарной ФЛ экситонов. Тогда как электроны в используемых электрических полях способны делокализоваться и, следовательно, ионизовать экситоны только в случае слабо модулированных по толщине слоев А1Аэ при учете дополнительной кинетической энергии от нерезонансного возбуждения ФЛ (рис. 5).

В параграфе 4.3 показано, что степень анизотропии эффектов, вызываемых электрическим полем в кинетике ФЛ холодных экситонов, достигает 100%. Приложение к (ЗП)А-структуре электрического поля вдоль направления микроканавок, также как и в случае (100)-сверхрешетки, приводит к кратковременному возрастанию интенсивности ФЛ бесфононной экситонной линии, после чего наблюдается ускорение кинетики ФЛ всех экситонных линий. Тогда как при приложении к (311)А-структуре электрического поля в направлении [О II], т.е. поперек направления микроканавок, никаких изменений в кинетике экситонной ФЛ не происходит.

Появление эффектов в кинетике ФЛ (ЗП)А-структур при приложении электрического поля в направлении [233] указывает на то, что электроны свободно переносятся полем акустической волны вдоль микроканавок, формируя экситоны и взаимодействуя с ними. В тоже время отсутствие каких-либо изменений в кинетике ФЛ (ЗП)А-структуры в электрическом поле, направленном в направлении [011], т.е. поперек микроканавок, свидетельствует о том, что электроны в слоях А1Аб без начальной кинетической энергии от нерезонансного возбуждения остаются локализованными в микроканавках и, следовательно, не взаимодействуют с экситонами. Полученный результат подтверждает, что тушение стационарной ФЛ (ЗП)А-СР в электрическом поле не связано с взаимодействием между термализованными на момент приложения электрического поля носителями заряда и экситонами.

Отсутствие каких-либо изменений в кинетике ФЛ (311)А-СР в электрическом поле, направленном поперек микроканавок, позволяет оценить, что величина энергетических барьеров для электронов в слоях АЬАэ варьируется от 20 до 40 мэВ, что соответствует модуляции толщины слоев А1Аз от 0.8 до 1.2 нм (рис. 5). Следует отметить, что в соответствии с данными [СЮ] о периоде микроканавок в 3.2 нм в направлении [011] можно было бы ожидать резонансного туннелирования носителей заряда между подзонами соседних квантовых проволок в электрическом поле. Действительно, в сверхрешетках дистанция для туннелирования носителей заряда составляет около 5 нм. При этом энергия, приобретаемая носителями заряда в электрическом поле напряженностью до 12 кВ/см на периоде в 3.2 нм, не превышает ширину подзон для носителей заряда обоих знаков [С6]. При туннелировании носителей заряда между микроканавками может происходить формирование экситонов, что приведет к увеличению интенсивности ФЛ экситонов. Поэтому отсутствие в кривых затухания ФЛ

(311)А-сверхрешетки увеличения интенсивности ФЛ экситонов при приложении электрического поля в направлении [011] указывает на то, что характерные латеральные размеры микроканавок в этом направлении превышают 5 нм.

Результаты, обсуждаемые в четвертой главе, представлены в работах [А2-АЗ].

В заключении диссертации указан вклад автора и сформулированы основные результаты и выводы работы, состоящие в следующем:

1. Проведено экспериментальное исследование механизмов взаимодействия экситонов с электрическим полем, генерируемым стоячей ПАВ, в сверхрешетках GaAs/AlAs второго рода. Установлено, что механизм взаимодействия экситонов с электрическим полем ПАВ, определяется кинетической энергией экситонов и носителей заряда на момент приложения электрического поля.

2. Обнаружено, что в случае термализованных экситонов и носителей заряда электрическое поле приводит сначала к возгоранию интенсивности ФЛ свободных экситонов с последующим ускорением кинетики ФЛ сначала локализованных, а затем свободных экситонов. Показано, что наблюдаемые эффекты доминируют над реком-бинационными процессами в кинетике ФЛ GaAs/AlAs сверхрешеток второго рода с Ххг нижним электронным состоянием. Установлено, все наблюдаемые изменения в кинетике экситонной ФЛ связаны с двумя конкурирующими механизмами с участием носителей заряда, выбрасываемых электрическим полем с уровней широких квантовых ям, образованных шероховатостями гетерограниц. Во-первых, формирование экситонов из носителей заряда приводит к возгоранию нестационарной ФЛ свободных экситонов. Во-вторых, захват экситонов на центры безызлучательной рекомбинации вследствие делокализации экситонов при соударении с носителями заряда вызывает ускорение кинетики ФЛ свободных и локализованных экситонов. Построена математическая модель, описывающая поведение кинетики нестационарной ФЛ экситонов в электрическом поле. Определена длина свободного пробега электронов в исследуемых структурах.

3. Показано, что в случае горячих экситонов и носителей заряда электрическое поле стоячей ПАВ вызывает тушение стационарной ФЛ структур, при этом степень тушения ФЛ зависит от мощности лазерного возбуждения, температуры и концентрации центров безызлучательной рекомбинации в образце. Построена математическая модель, описывающая тушение стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле стоячей ПАВ, учитывающая как ионизацию экситонов, так и захват на центры безызлучательной рекомбинации. Показано, что наблюдаемые в эксперименте зависимости степени тушения ФЛ от напряженности электрического поля и интенсивности лазерного возбуждения указывают на ударную ионизацию экситонов горячими носителями заряда, описываемую соотношением Таунсенда-Шокли, как доминирующий механизм взаимодействия экситонов с электрическим полем.

4. Проведено исследование взаимодействия экситонов с электрическим полем ПАВ в сверхрешетках GaAs/AlAs, выращенных на (311)А-ориентированной поверхности GaAs. Обнаружена анизотропия эффектов, связанных с влиянием электрического поля ПАВ, достигающая 100% для термализованных экситонов в кинетике нестационарной ФЛ и не превышающая 20% для горячих экситонов в стационарной ФЛ. Показано, что и в том, и в другом случае анизотропия появляется вследствие модуляции толщины слоев структуры в направлении [011], создающей энергетические барьеры для носителей заряда и экситонов, и, следовательно, препятствующей их движению в этом направлении. Различная степень анизотропии этих эффектов в кинетике ФЛ и стационарной ФЛ объяснена возможностью переноса в электрическом поле вдоль направлении [011] только горячих электронов, тогда как термализованные экси-тоны и носители заряда остаются локализованными. Проведена оценка характерных параметров рельефа гетерограниц исследованных (311)А- структур GaAs/AlAs, удовлетворяющих полученным значениям анизотропии: латеральные размеры микроканавок в направлении [011] как на прямой, так и на обратной гетерограницах (311)А— структур превышают 5 нм; модуляция толщины слоев AlAs составляет от 0,8 до 1,2 нм.

Публикации по результатам работы:

А1. D.V. Gulyaev, K.S. Zhuravlev. Interaction of excitons with carriers accelerated by the electric field of a surface acoustic wave in type II GaAs/AlAs superlattices // Phys. Rev. B. -2012. -Vol. 86. -P. 165323-1-8. A2. D. Gulyaev and K. Zhuravlev. Heterointerface relief in the (311)A-oriented GaAs-

AlAs superlattices // Phys. Status Solidi C. - 2010. - Vol. 7 - P. 272-275. A3. Д.В. Гуляев и К.С.Журавлев. Форма рельефа гетерограниц в (311) А—

ориентированных GaAs/AlAs структурах // ФТП. — 2010. - Т. 44 - С. 358-366. А4. Д.В. Гуляев и К С. Журавлев. Механизм воздействия электрического поля поверхностной акустической волны на кинетику низкотемпературной фотолюминесценции GaAs/AlAs-сверхрешёток второго рода // ФТП. - 2007. - Т.41 - С. 211216.

А5. D.V. Gulyaev, A.I. Toropov, and K.S. Zhuravlev. Effect of an electric field on photoluminescence kinetics of type II GaAs/AlAs superlattices // Proceedings of the 28th International Conference on the Physics of Semiconductors. -2007. - Vol. 893. - P. 421422.

A6. D.V. Gulyaev, A.K. Bakarov, A.V. Tsarev, K.S. Zhuravlev. Photoluminescence kinetics of type II GaAs/AlAs superlattices under the influence of an electric field // Proceeding of forth Asia-Pacific Conference Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics. - September 13-16, 2004. - P. 294-297. A7. D.V. Gulyaev, A.M. Gilinsky, A.I. Toropov, A.K. Bakarov, A.V. Tsarev,

K.S. Zhuravlev. Influence of electrical field on the photoluminescence of 5-doped type II GaAs/AlAs superlattices // Physica B: Physics of Condensed Matter. - 2003. - Vol. 340-342C. - P. 1086-1089.

Цитируемая литература:

CI. G. Grosso, J. Graves, A. T. Hammack, A. A. High, L. V. Butov, M. Hanson, A. C. Gossard. Excitonic switches operating at around 100 К // Nature Photonics - 2009 -Vol. 3.-P. 577-580.

C2. L. Beaur, T. Bretagnon, B. Gil, A. Kavokin, T. Guillet, C. Brimont, D. Tainoff, M. Teis-seire, and J.-M. Chauveau. Exciton radiative properties in nonpolar homoepitaxial Zn0/(Zn,Mg)0 quantum wells // Phys. Rev. B. - 2011. - Vol. 84. - P. 165312-1-8.

C3. C. Rocke, A.O. Govorov, and A. Wixforth, G. Bohm and G. Weimann. Exciton ionization in a quantum well studied by surface acoustic waves // Phys. Rev. B. - 1998. - Vol. 57.-P. 6850-6853.

C4. S. Volk, A. Wixforth, D. Reuter, A. D. Wieck, and J. Ebbecke. Conversion of bound excitons to free excitons by surface acoustic waves // Phys. Rev. B. -2009. - Vol. 80. -P. 165307-1-5.

C5. Tetsuomi Sogawa, Haruki Sanada, Hideki Gotoh, Hiroshi Yamaguchi, and Paulo V. Santos. Spatially modulated photoluminescence properties in dynamically strained GaAs/AlAs quantum wells by surface acoustic wave // Appl. Phys. Lett. - 2012. - Vol. 100.-P. 162109-1-4.

C6. Masaaki Nakayama. Excitonic processes in GaAs/AlAs type-II superlattices // Journal ofLuminescence.-2000.-Vol. 87-89.-P. 15-19.

CI. Kagan V.D. Conditions for validity of the Townsend-Shockley impact-ionization law in semiconductors // Sov. Phys. JETP. - 1988. - Vol. 67. - P. 145-150.

C8. F. Minami, K. Hirata, K. Era, T. Yao, Y. Masumoto. Localized indirect excitons in a short-period GaAs/AlAs superlattice // Phys. Rev. B. - 1987. -Vol. 36. - P. 2875-2878.

C9. I.N. Krivorotov, T. Chang, G.D. Gilliland, L.P. Fu, K.K. Bajaj, D.J. Wolford. Exciton transport and nonradiative decay in semiconductor nanostructures // Phys. Rev. B. -1598.-Vol. 58.-P. 10687-10691.

C10. R. Notzel, N.N. Ledcntsov. L A. Daweritz, M. Hohenstein, K. Ploog. Direct synthesis of corrugated superlattices on non-(100)-oriented surfaces // Phys. Rev. Lett. - 1997. -Vol. 67. P. 3812-3815.

Cll.A.B. Vorob'ev, A.K. Gutakovsky, V.Ya. Prinz, V.V. Preobrazhenskii, M.A. Putyato. Interface corrugation in GaAs/AlAs (311)A superlattices // Appl. Phys. Lett. - 2000. -Vol. 77.-P. 2976-2978.

Подписано в печать 06.05.2013 г. Печать цифровая. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2 Тираж 100 экз. Заказ № 158.

Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1, оф. 104 Тел. (383) 217-43-46, 8-913-922-19-07

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гуляев, Дмитрий Владимирович, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ им. A.B. Ржанова

На правах рукописи

ö4?Г) 1І'ЇЯЗІ (

Гуляев Дмитрий Владимирович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭКСИТОНОВ И НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ В (ЗаА8/А1АБ СВЕРХРЕШЕТКАХ ВТОРОГО РОДА

01.04.10 - физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н. К.С. Журавлев

Новосибирск - 2013

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

ФЛ - фотолюминесценция

ПАВ - поверхностная акустическая волна

ВШП - встречно-штырьевой преобразователь

СР - сверхрешетка

КЯ - квантовая яма

КП - квантовая проволока

ДАР - донорно-акцепторная рекомбинация

heu - энергия фотона люминесценции

Е - энергия

Еа - энергия активации

Ев - энергия связи экситона

leff - длина свободного пробега электрона

lexc ~ интенсивность лазерного возбуждения

1о - интенсивность ФЛ образца в отсутствие электрического поля ПАВ

Ipi (Ю ~ интенсивность ФЛ образца в электрическом поле ПАВ F - напряженность электрического поля

р - степень тушения ФЛ структур в электрическом поле ПАВ л - общая концентрация носителей заряда

- концентрация свободных носителей заряда nw - концентрация локализованных носителей заряда

nsw(F) ~ количество электронов и дырок, захваченных в минимумы и

максимумы потенциала ПАВ

Nexc ~ общая концентрация экситонов

iVfE - концентрация свободных экситонов

Nle - концентрация локализованных экситонов

со0 ~ вероятность стохастических процессов рекомбинации экситонов

сог - вероятность нестохастических процессов рекомбинации экситонов

®rad ~ вероятность излучательной рекомбинации экситонов ®nonrad - вероятность безызлучательной рекомбинации экситонов а>гес ~ вероятность рекомбинации экситонов ®form ~ вероятность образования экситонов

®capture - вероятность захвата свободных носителей заряда на ловушки

®1ос_с - вероятность локализации носителей заряда

®deioc_c ~ вероятность делокализации носителей заряда

^ioc ехс ~ вероятность локализации экситонов на уровнях широких КЯ

®deioc_exc ~ вероятность выброса экситона с уровней широких КЯ в электрическом поле

®ion(F)~ вероятность ионизации экситона в электрическом поле

CQei.fieid(F) ~ вероятность процесса, вызывающего ускорение кинетики

ФЛ экситонов в электрическом поле

NA/D - концентрация акцепторов, доноров

5д,d ~ среднее расстояние между примесями

кв - постоянная Больцмана

Т - температура измерения (образца)

t - время

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................. 7

ГЛАВА 1. Обзор литературных данных................... 15

§ 1.1. Влияние электрического поля поверхностной акустической волны на транспортные и рекомбинационные свойства СаАг и низкоразмерных систем на его основе............ 15

§ 1.2. Энергетическая структура и рекомбинационные свойства сверхрешеток 6аАз/А1Аз второго рода, выращенных на (100)-

ориентированной поверхности СаАэ .......... 35

§ 1.3. Энергетическая структура и рельеф гете-рограниц сверхрешеток СаАэ/А1Аэ второго рода, выращенных на (311)А-

ориентированной поверхности СаАэ .......... 49

ГЛАВА 2. Методические вопросы исследования........... 56

§ 2.1. Исследуемые образцы. Методики их изготовления и контроля....................... 56

§ 2.2. Методика регистрации стационарной фото-

лкминесценции............................. 64

§ 2.3. Регистрация кинетики и спектров нестационарной фотолюминесценции............... 69

§ 2.4. Методика приложения электрического поля к исследуемому образцу с помощью поверхностной акустической волны................ 72

ГЛАВА 3. Влияние электрического поля на фотолюминесценцию (100)-ориентированных сверхрешеток СаАз/А1Аз второго рода........................... 78

§ 3.1. Влияние электрического поля на стационарную фотолюминесценцию экситонов в (100)-ориентированных сверхрешетках

6аАз/А1Аз второго рода.................... 78

§ 3.2. Влияние электрического поля на кинетику фотолюминесценции Х2 экситонов в (100)-ориентированных сверхрешетках СаАэ/А1Аэ

второго рода.............................. 94

§ 3.3. Влияние электрического поля на кинетику фотолкминесценции Хху экситонов в (100)-ориентированных СаАз/А1Аз сверхрешетках

второго рода.............................. 107

§ 3.4. Механизм возрастания интенсивности фотолюминесценции свободных экситонов в

электрическом поле........................ 110

§ 3.5. Механизм ускорения кинетики фотолюминесценции экситонов в электрическом поле..... 113

ГЛАВА 4. Влияние электрического поля на стационарную фотолюминесценцию и кинетику фотолюминесценции сверхрешеток СаАз/А1Аз второго рода, выращенных

на (311)А-ориентированной поверхности СаАэ ....... 123

§ 4.1. Спектры стационарной фотолюминесценции

сверхрешеток 6аАз/А1Аз второго рода, выращенных на (311)А-ориентированной по- 124

верхности СаАэ ............................

§ 4.2. Влияние электрического поля на стационарную фотолюминесценцию (311) А-

ориентированных структур.................. 126

§ 4.3. Влияние электрического поля на кинетику фотолюминесценции (311)А-ориентированных

структур. Параметры рельефа гетерограниц (311) А-ориентированных структур........... 138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................... 144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................... 148

ВВЕДЕНИЕ

Одной из фундаментальных проблем физики полупроводников является проблема взаимодействия экситонов с электрическим полем. В зависимости от напряженности электрического поля диссоциация экситонов проходит по различным механизмам - термоэлектронной, туннельной или ударной ионизации [1] . В последнее время данная проблема, помимо фундаментальной значимости, начинает приобретать практическое значение [2] . Это связано с тем, что в низкоразмерных гетероэпитаксиальных структурах, которые лежат в основе всей современной оптоэлектроники [3-4], наблюдается увеличение энергии связи экситона, приводящее в широкозонных материалах к сосуществованию экситонов с носителями заряда даже при комнатной температуре и в сильных электрических полях [5].

транспортных свойств низкоразмерных структур [6-21]. В электрическом поле ПАВ наблюдается тушение фотолюминесценции (ФЛ) эксито-нов вследствие их диссоциации с последующим захватом электронов и дырок в максимумы и минимумы потенциала бегущей акустической волны [6] . Разделение электронов и дырок вызывает кардинальное увеличение времени жизни неравновесных носителей заряда [16] и дает возможность создания на основе ПАВ динамических низкоразмерных объектов [18] . В то же время, к началу данной работы физика процесса, лежащего в основе наблюдаемых эффектов [6-21], не была исследована, а именно, не был установлен механизм диссоциации экси-тонов под действием переменного электрического поля ПАВ.

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование механизмов взаимодействия экситонов с электрическим полем, генерируемым поверхностной акустической волной.

В качестве объекта исследования были выбраны сверхрешетки (СР) 6аАз/А1Аз второго рода с большим временем жизни неравновесных носителей заряда, что позволило исследовать влияние электрического поля ПАВ не только на стационарную ФЛ экситонов, но и на кинетику ФЛ экситонов, и решить, таким образом, необходимые для достижения поставленной цели задачи:

2. Исследовать кинетические характеристики нестационарной ФЛ экситонов под действием электрического поля ПАВ при различных параметрах структуры, напрямую из эксперимента определив постоянные времени процессов и выявить механизм ионизации экситонов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Первая глава является обзорной. В этой главе приводится обзор литературных данных по влиянию переменного электрического поля, генерируемого ПАВ на энергетический спектр и рекомбинацию неравновесных носителей заряда в объемных полупроводниках и низкоразмерных структурах. Во втором параграфе приводятся данные по энергетическому спектру и ФЛ сверхрешеток 6аАэ/А1Аз второго рода, являющихся основным объектом исследований в данной работе. Помимо этого, в третьем параграфе проводится обзор литературных данных по рельефу гетерограниц и энергетической структуре сверхрешеток баАз/МАэ второго рода, выращенных на (311) А-ориентированной поверхности СаАэ, поскольку методика, основанная на обнаруженном и изложенным в главе 3 данной диссертации влиянии ПАВ на спектры и кинетику ФЛ экситонов, позволяет оценить рельеф гетерограниц исследуемой структуры.

Во второй главе рассмотрены методические вопросы исследования. Описаны условия получения исследованных в работе образцов -сверхрешеток СаАэ/А1Аэ второго рода. Здесь же приведено описание экспериментальных установок, использованных для регистрации спектров стационарной и нестационарной ФЛ, кинетики ФЛ. Рассматривается методика приложения электрического поля ПАВ к исследуемым образцам, а измерения спектров стационарной и нестационарной ФЛ в этом поле.

Третья глава посвящена результатам исследования влияния электрического поля стоячей ПАВ на стационарную ФЛ и кинетику ФЛ структур СаАз/А1Аз второго рода, выращенных на (100)-ориентированной поверхности ваАэ. Показано, что стационарная ФЛ экситонов затухает в электрическом поле ПАВ. Исследуются зависимости степени тушения стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле ПАВ от частоты ПАВ, интенсивности лазерного возбуждения, температуры измерений. Анализируются различные механизмы иониза-

ции экситонов, способные объяснить полученные результаты. Сообщается об экспериментальном обнаружении в кривых затухания низкотемпературной ФЛ сверхрешеток СаАэ/А1Аз второго рода кратковременного возгорания ФЛ свободных экситонов под действием электрического поля ПАВ, достаточно быстро сменяющегося ускорением кинетики затухания ФЛ экситонов. Рассматриваются зависимости этих эффектов от длительности импульса ПАВ, времени задержки между лазерным импульсом и импульсом ПАВ, температуры измерений, симметрии нижнего электронного состояния и легирования образцов. Определены механизмы, обуславливающие возрастание интенсивности ФЛ свободных экситонов и ускорение кинетики ФЛ всех типов экситонных переходов в электрическом поле ПАВ. Представлена математическая модель процесса рекомбинации, объясняющая наблюдаемое поведение кинетики ФЛ в электрическом поле ПАВ.

В четвертой главе приводятся результаты изучения влияния электрического поля ПАВ на стационарную ФЛ и кинетику ФЛ экситонов в сверхрешетках СаАэ/А1Аз второго рода, выращенных на (311)А-ориентированных подложках. Сообщается об экспериментальном обнаружении анизотропии эффектов, наблюдаемых под действием электрического поля в стационарной ФЛ и кинетике ФЛ (311) А-ориентированных структур. Показано, что анизотропия наблюдаемых эффектов связана с анизотропным рельефом гетерограниц (311)А-структур. На основе полученных экспериментальных данных определены характерные параметры рельефа гетерограниц (311)А-ориентированных сверхрешеток СаАз/А1Аз.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты и выводы работы и указан личный вклад автора.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Формирование экситонов из носителей заряда, высвобождаемых импульсом продольного электрического поля с уровней широких

квантовых ям, образованных шероховатостями гетерограниц двумерных структур, вызывает возгорание нестационарной ФЛ экситонов.

2. Переход экситонов из локализованного в свободное состояние в двумерных структурах при их соударении с носителями заряда, ускоренными в продольном электрическом поле, приводит к захвату экситонов на центры безызлучательной рекомбинации и, как следствие к ускорению кинетики ФЛ свободных и локализованных экситонов.

3. Доминирующим механизмом ионизации экситонов при нерезонансном возбуждении в электрическом поле ПАВ напряженностью до 12 kB/см, приложенном к сверхрешеткам GaAs/AlAs второго рода, является ударная ионизация экситонов свободными носителями заряда, описываемая соотношением Таунсенда-Шокли.

4. Анизотропия эффектов, наблюдаемых в кинетике нестационарной ФЛ и стационарной ФЛ (311)А-структур под действием электрического поля, обусловлена модуляцией толщины слоев в направлении [011], создающей энергетические барьеры для носителей заряда и экситонов и, следовательно, препятствующей их взаимодействию.

демонстрирована 100% анизотропия этих эффектов в CP GaAs/AlAs, выращенных на (311)А-поверхности GaAs, в которых движение эксито-нов в направлении [011] ограничено модуляцией толщины слоев GaAs в данном направлении. Построена математическая модель, объясняющая наблюдаемые эффекты возгорания ФЛ свободных экситонов и последующего ускорения кинетики затухания ФЛ свободных и локализованных экситонов. Установлено, что причиной возгорания ФЛ является формирование экситонов из носителей заряда, выбрасываемых электрическим полем ПАВ с уровней широких квантовых ям, образованных шероховатостями гетерограниц. Показано, что ускорение кинетики экси-тонной ФЛ вызвано увеличением захвата экситонов на центры безыз-лучательной рекомбинации вследствие делокализации экситонов при соударении с носителями заряда.

2. Обнаружено, что в случае взаимодействия горячих экситонов с электрическим полем стоячей ПАВ, несмотря на то, что носители заряда остаются в точке фотогенерации, наблюдается тушение стационарной ФЛ структур. Показано, что в (311) А-сверхрешетках GaAs/AlAs, в которых только горячие электроны в слоях AlAs, не локализованы в направлении [011], анизотропия тушения стационарной ФЛ экситонов под действием электрического поля ПАВ составляет не более 20%. Построена математическая модель тушения стационарной ФЛ экситонов в электрическом поле стоячей ПАВ, учитывающая как ударную ионизацию экситонов носителями заряда, так и захват на центры безызлучательной рекомбинации.

Практическая важность результатов работы заключается в следующем:

1. Экспериментально установлены механизмы взаимодействия экситонов с переменным электрическим полем, модифицирующие такие важные для оптоэлектронных приборов характеристики, как интенсивность стационарной ФЛ и время затухания ФЛ. Полученные данные

важны и могут использоваться при конструировании приборов на основе экситонных переходов.