Электронные и оптические свойства нерегулярных сверхрешеток на основе полупроводниковых соединений групп A3B5 и A2B6 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Торопов, Алексей Акимович

  • Торопов, Алексей Акимович
  • доктор физико-математических наукдоктор физико-математических наук
  • 2005, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ01.04.10
  • Количество страниц 217
Торопов, Алексей Акимович. Электронные и оптические свойства нерегулярных сверхрешеток на основе полупроводниковых соединений групп A3B5 и A2B6: дис. доктор физико-математических наук: 01.04.10 - Физика полупроводников. Санкт-Петербург. 2005. 217 с.

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Торопов, Алексей Акимович

Содержание.

Введение.

1. Общая характеристика типов полупроводниковых сверхрешеток с нарушенной периодичностью и проблем, поднимаемых в диссертации

Обзор литературы).

1.1. Сверхрешетки идеальных и неидеальных квантовых ям.

1.2. Сверхрешетки со встроенной расширенной квантовой ямой.

1.3. Сверхрешетки в электрическом поле. Апериодичные сверхрешетки

1.4. Квантовые ямы и сверхрешетки разбавленных магнитных полупроводников

1.4.1. Эффект гигантского зеемановского расщепления. Магнитная локализация носителей. Магнитный полярон.

1.4.2. Спиновая инжекция в структурах РМП.

1.5. Сверхрешетки материалов с большим рассогласованием параметров решетки. Упорядоченные и неупорядоченные массивы квантовых точек.

1.6. Квантовые ямы и сверхрешетки полупроводниковых соединений, не содержащих общих атомов.

1.6.1. Симметрийные свойства полупроводниковых интерфейсов и квантовых ям.

1.6.2. Спектроскопия линейно-поляризованной люминесценции в полупроводниковых гетероструктурах.

2. Апериодичные сверхрешетки в системе СаАв/АЮаАв: принципы конструирования, оптические и транспортные свойства.

2.1. Спектр электронных состояний нерегулярных сверхрешеток в электрическом поле: сверхрешетка с выделенной квантовой ямой и апериодичная сверхрешетка.

2.2. Экситонные состояния в апериодичных сверхрешетках.

2.2.1. Вариационный расчет спектра экситонных состояний связанных квантовых ям в электрическом поле.

2.2.2. Фотолюминесцентные исследования экситонов в ОаАз/АЮаАв апериодичной сверхрешетке.

2.3. ОаАз/АЮаАэ рч-п диоды с электронными и дырочными апериодичными сверхрешетками.

2.3.1. Электролюминесцентные исследования туннельно-транспортных характеристик апериодичных сверхрешеток.

2.3.2. Бистабилыюсть электролюминесценции и лазерной генерации в волноводной структуре с апериодичными сверхрешетками.

3. Кинетика транспорта и релаксации носителей в сверхрешетках

Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se.

3.1. Фотолюминесцентные исследования процессов транспорта и локализации экситонов в одиночных слоях и сверхрешетках Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se с различной степенью разупорядоченности.

3.1.1. Исследование экситонного спектра разупорядоченных сверхрешеток CdSe/ZnSe.

3.1.2. Исследования динамики экситонов в сверхрешетках CdSe/ZnSe.

3.1.3. Исследования кинетики рекомбинации экситонов в структурах Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se.

3.2. Оптические исследования спиновой инжекции из полумагнитной сверхрешетки CdSe/ZnMnSe в немагнитную квантовую яму

ZnCdSe.

3.3. Фотолюминесцентные исследования спиновой релаксации в структурах CdSe/ZnMnSe.

4. Оптическая спектроскопия экситонных магнитных поляронов в полумагнитпых квантовых ямах типа II ZnMnSe/ZnSSe.

4.1. Разрывы зон на гетероинтерфейсе ZnMnSe/ZnSSe.

4.2. Кинетика магнитной и немагнитной локализации экситонов в множественных квантовых ямах ZnMnSe/ZnSSe.

4.2.1. Фотолюминесцентные исследования при непрерывном возбуждении.

4.2.2. Фотолюминесцентные исследования с временным разрешением.

5. Структурные и оптические свойства массивов квантовых точек типа II.

5.1. Квантовые ямы и квантовые точки GaAs в матрице GaSb: структурные и фотолюминесцентные исследования.

5.2. Электролюминесценция и лазерная генерация в диодах с массивом GaAs/GaSb квантовых точек.

5.3. Упорядоченные и разупорядоченные массивы квантовых точек типа II CdSe/BeTe.

5.4. Спетроскопия линейно-поляризованной фотолюминесценции в массивах квантовых точек CdSe/BeTe.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физика полупроводников», 01.04.10 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронные и оптические свойства нерегулярных сверхрешеток на основе полупроводниковых соединений групп A3B5 и A2B6»

Развитие физики полупроводниковых гетероструктур оказывает непосредственное влияние на нашу повседневную жизнь, поскольку функциональность практически всех современных оптоэлектронных приборов зависит от прогресса в этой области. Исследования свойств низкоразмерных гетероструктур: сверхрешеток, квантовых ям, проволок и точек, находятся на острие этой науки.

Одними из первых объектов такого типа, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), были полупроводниковые сверхрешетки - структуры с искусственной периодической одномерной модуляцией свойств, производимой на шкале размеров, сравнимых с длиной волны де Бройля электрона [1*,2*,3*]. В настоящее время наибольший интерес привлекают композиционные сверхрешетки, включающие слои полупроводников с различной шириной запрещенной зоны [3*], легированные сверхрешетки, представляющие собой последовательность слоев п-, и р- типа [3*,4*] и спиновые сверхрешетки [5*], в которых чередуются слои разбавленных магнитных полупроводников, отличающиеся направлением спина носителей. В первом случае надо различать сверхрешетки типа I, в которых минимумы локализующего потенциала для электронов и дырок пространственно совпадают, и сверхрешетки типа И, в которых модуляция краев зоны проводимости и валентной зоны имеет один и тот же знак.

Основные электронные и оптические свойства регулярных полупроводниковых сверхрешеток к настоящему времени хорошо изучены, как экспериментально, так и теоретически (см., например, [6*]). Однако часто интерес представляет исследование свойств квази-сверхрешеточных структур, в которых строгая периодичность потенциала нарушена. Эти нарушения могут быть связаны с неконтролируемыми дефектами и неоднородностями экспериментальных образцов. В других случаях, специально сконструированные нерегулярные сверхрешетки демонстрируют особые свойства и полезные функциональные особенности.

К плохо контролируемым факторам относятся, в первую очередь, нарушения периодичности, связанные с наличием флуктуаций толщин и составов слоев. При определенных условиях такие флуктуации приводят к образованию локализованных состояний, в отличие от протяженных минизонных состояний идеальной сверхрешетки. Эффекты такого рода были достаточно полно изучены и поняты еще в 1980-х (см., например, работу [7*]). Однако к моменту начала диссертационной работы (конец 1994 г.) в области физики нерегулярных сверхрешеток существовал ряд актуальных проблем не вполне изученных, или не исследованных вовсе.

Одной из актуальных задач было конструирование так называемых "апериодичных" сверхрешеток, т.е. многослойных структур, в которых протяженные "квази-минизонные" состояния выстраиваются при приложении вдоль оси роста структуры определенного однородного электрического поля, соответствующего максимуму туннельной прозрачности структуры. Особое развитие такие структуры получили в качестве протяженных туннельных инжекторов носителей, используемых, например, в каскадных лазерах [8*,9*]. В регулярных сверхрешетках максимум туннельной прозрачности соответствует нулевому внешнему электрическому полю. При заданных материалах геометрические параметры сверхрешетки (ширины ям и барьеров) однозначно определяются двумя параметрами - энергетической шириной и положением минизоны. Приложенное поле нарушает периодичность сверхрешетки, разрушая минизону и приводя к образованию лестницы "штарковских" состояний [10*]. В "апериодичной" сверхрешетке уровни в отдельных квантовых ямах выстраиваются по энергии при приложении внешнего электрического поля. Очевидно, что ширины всех ям и барьеров такой структуры должны быть разными и условие выстраивания уровней может быть достигнуто бесконечным числом способов. К моменту начала диссертационной работы не было опубликовано алгоритма, позволяющего однозначным образом конструировать апериодичные сверхрешетки с заданными характеристиками (положение и ширина квази-минизоны) и туннельной прозрачностью близкой к максимально возможной. Фактически отсутствовали данные о влиянии на выстраивание квази-минизоны кулоновского взаимодействия, связанного с образованием экситонных состояний и с аккумуляцией пространственного заряда.

Другой класс относительно мало исследованных нерегулярных сверхрешеток представлен многослойными структурами разбавленных магнитных полупроводников (РМП). Интерес к таким гетероструктурам связан в первую очередь с быстрым развитием концепции спиновой электроники ("спинтроники"), предполагающей использование в качестве носителя информации не электронного заряда, как в современной электронике, а спина электрона [11*]. Создание полупроводниковых "спинтронных" приборов требует реализации таких процессов как инжекция спин-поляризованных электронов, а также накопление электронных спинов и манипулирование ими. Была показана эффективность

У Л объемных слоев РМП группы А В в качестве модельных объектов • для отработки принципов действия будущих спинтронных приборов [12*], однако сверхрешетки РМП (полумагнитные сверхрешетки) для этой цели ранее не использовались. Фактически отсутствовали данные о транспорте спин-поляризованных носителей и спиновой релаксации в таких объектах.

Одним из наиболее изученных типов искусственных нерегулярных сверхрешеток является сверхрешетка с одной нестандартной квантовой ямой. Как правило, это яма с увеличенной шириной. Ранее такие структуры широко и успешно использовались для оптических исследований особенностей транспорта носителей и экситонов вдоль оси роста сверхрешетки [13*]. Оптические исследования подобных структур, включающих сверхрешетку РМП и вставленную в нее более глубокую немагнитную квантовую яму, представляются особо перспективными для получения данных о транспорте спин-поляризованных носителей и спиновой релаксации в сверхрешетке РМП, а также инжекции спина из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную яму.

Дополнительная возможность спонтанного нарушения порядка и снижения симметрии сверхрешеток и множественных квантовых ям РМП обусловлена процессами магнитной локализации носителей, в частности, образованием экситонного магнитного полярона. В последнем случае, в результате обменного взаимодействия носителя заряда с окружающими его магнитными ионами формируется локальная область ферромагнитного упорядочивания. Несмотря на интенсивные исследования свойств экситонных магнитных поляронов в структурах РМП, ведущиеся в течение последних 20 - 30 лет [14*], ряд вопросов, касающихся кинетики формирования и распада магнитных поляронов, так и не получил полного экспериментального прояснения. К ним можно отнести теоретически предсказанные эффекты нарушения симметрии в немагнитных квантовых ямах с магнитными барьерами вследствие бифуркации волновой функции носителей, образующих экситонный магнитный полярон [15*], автолокализации магнитного полярона в структурах с квантовыми ямами [16*], а также вопросы, связанные с конкуренцией магнитных и немагнитных механизмов экситонной локализации.

Еще один класс нерегулярных сверхрешеток, представляющий особый интерес, включает сверхрешетки полупроводниковых слоев, сильно различающихся по параметру решетки. К настоящему времени хорошо известно, что процессы самоорганизации во время эпитаксиального роста тонких напряженных слоев могут приводить к образованию "0-мерных" объектов - квантовых точек и дисков [17*]. В разных слоях многослойных структур такие объекты могут располагаться случайным образом, или формировать упорядоченные массивы, в зависимости от параметров структуры и условий роста [18*]. В принципе, изменяя номинальную толщину напряженных слоев, можно плавно менять их морфологию - от однородных квантовых ям к сильно разупорядоченным квантовым ямам и, наконец, к упорядоченным или не упорядоченным 3-мерным массивам квантовых точек, влияя, таким образом, на структуру и степень беспорядка составленной из них сверхрешетки.

Приборный интерес к таким структурам связывается сейчас в первую очередь с возможностью их использования в качестве активной области низкопороговых инжекционных лазеров [18*]. Наиболее полно исследованы оптические свойства массивов квантовых точек типа I, образующихся в многослойных структурах ¡пАБЛЗаАБ, излучающих свет в ближнем ИК диапазоне. Достаточно подробно исследованы также структурные и оптические свойства многослойных структур на основе решеточпо-рассогласованной гетеропары СсШе^пБе [19*,20*]. Такие структуры были использованы в качестве активной области низкопороговых зеленых лазеров [21*]. Следует отметить, что практически все исследованные ранее многослойные гетероструктуры такого типа имели структуру зон типа I, а длина волны излучаемого ими света находилась в видимом или ближнем ИК диапазонах. Для перехода в область больших длин волн требовалась разработка и исследование новых систем материалов, в частности, обладающих структурой зон типа II.

Особый интерес представляют также многослойные структуры, составленные из соединений, не имеющих общих атомов. Как было ранее показано, оптическая спектроскопия линейно-поляризованного света в таких образцах, включающих сверхрешетки квантовых ям, позволяет получать данные о симметрийных свойствах состояний, участвующих в межзонной рекомбинации [22*,23*]. Подобные исследования в структурах с 0-мерными объектами (квантовыми дисками и • точками) ранее не проводились.

Перечисленные проблемы, связанные со свойствами нерегулярных сверхрешеток, можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся задачи зонной инженерии, т.е. конструирование и исследование систем связанных квантовых ям с заданными электронными свойствами, например, апериодичных сверхрешеток. Вторая группа объединяет случаи, когда специальное введение в сверхрешетку определенной нерегулярности, например, расширенной квантовой ямы, позволяет использовать такую структуру как инструмент исследования транспортных и оптических свойств самой сверхрешетки. К задачам третьей группы можно отнести исследования свойств сверхрешеток со специфичными, естественным образом возникающими нерегулярностями, как, например, магнитные поляроны в сверхрешетках РМП или квантовые диски и точки, образующиеся при росте структуры в результате процессов самоорганизации. Диссертационная работа представляет ряд актуальных исследований, имеющих отношение ко всем трем группам задач.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель диссертационной работы состояла в экспериментальном определении электронных и оптических свойств полупроводниковых гетероструктур с нерегулярными сверхрешетками, представляющих особый интерес, как с точки зрения фундаментальных исследований, так и для приборных применений. Список исследуемых структур включал: ОаАз/АЮаАв апериодичные сверхрешетки, 2п(Мп)8е/Сс1(Мп)8е сверхрешетки с различной степенью беспорядка, 2пМп8е/Сс18е полумагнитные сверхрешетки с вставленной немагнитной квантовой ямой 2пСс18е, 2пМп8е/2п88е полумагнитные сверхрешетки и квантовые ямы типа II, структуры типа II с квантовыми ямами и точками ваАв в Оа(А$)8Ь и сверхрешетки типа II СёЗе/ВеТе с массивами квантовых дисков различной степени упорядоченности.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- Развитие методов расчета электронного и экситонного спектра систем электронно связанных квантовых ям, разработка метода конструирования апериодичных сверхрешеток с заданными свойствами;

- Экспериментальное определение экситонного спектра и особенностей процессов переноса возбуждений в специально сконструированных гетероструктурах с апериодичной сверхрешеткой, выполненной в системе ОаАв/АЮаАз;

Экспериментальное наблюдение и теоретическая интерпретация эффектов пространственного накопления заряда в рм-п лазерных диодах, включающих апериодичные сверхрешетки в качестве инжекторов электронов и дырок;

- Изучение экситонного спектра и особенностей динамики экситонов в сверхрешетках С(18е/2п8е в зависимости от степени беспорядка в слоях;

- Определение методом оптической спектроскопии особенностей транспорта и релаксации спин-поляризованных носителей в гетероструктурах, включающих полумагнитные сверхрешетки 2п(Мп)8е с вставленной немагнитной квантовой ямой гпСаБе;

Экспериментальное выяснение основных механизмов магнитной и немагнитной локализации носителей в полумагнитных сверхрешетках 2пМп8е/2п88е;

- Определение связи между структурными и фотолюминесцентными свойствами гетероструктур с квантовыми ямами и точками типа II ваАэ в матрице ваБЬ;

Наблюдение инфракрасной электролюминесценции и лазерной генерации в диодах с массивами квантовых точек типа II ваАв в матрице ваБЬ;

Определение интенсивности и линейной поляризации фотолюминесценции массива квантовых дисков СёБе/ВеТе в зависимости от степени упорядочения элементов массива.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Впервые предложен метод, позволяющий однозначным образом рассчитывать конструкцию апериодичной сверхрешетки, обеспечивающей близкую к оптимальной туннельную прозрачность при заданных основных параметрах: величине внешнего электрического поля, а также ширине и положении квази-минизоны. Впервые экспериментально и теоретически исследовано влияние кулоновского взаимодействия электрона и дырки, составляющих экситон, на выстраивание квази-минизоны апериодичной сверхрешетки, экспериментально продемонстрировано выстраивание и замешивание в электрическом поле множественных экситонных состояний.

Впервые апериодичные сверхрешетки использовались в качестве инжекторов электронов и дырок в биполярной диодной лазерной структуре. Наблюдаемая в таких структурах бистабильность электролюминесценции и лазерной генерации объяснена эффектами накопления и перераспределения заряда.

Впервые наблюдалась инжекция спин-поляризованных носителей из полумагнитиой сверхрешетки (СёЗе/гпМпБе). Показано, что наблюдаемая эффективность инжекции (<30%) ограничивается быстрой спиновой релаксацией в немагнитной квантовой яме, используемой в качестве оптического детектора спиновой поляризации. Впервые эффективность спиновой релаксации в полумагнитной сверхрешетке исследована в зависимости от величины спинового расщепления в области расщеплений, сравнимых с энергией возбуждения продольного оптического фонона. Обнаружен эффект порогового роста скорости спиновой релаксации при превышении спиновым расщеплением энергии возбуждения ЬО фонона.

Впервые кинетика образования экситонных магнитных поляронов исследована в сверхрешетках и множественных квантовых ямах типа II гпМпЗе^пЗБе. Обнаружен эффект сосуществования в одной структуре экситонов, локализованных немагнитным образом, и экситонных магнитных поляронов. Эффект объяснен наличием определенной статистики локализации электронов в немагнитных слоях гиББе и магнитной локализации тяжелых дырок в полумагнитных слоях гпМпБе.

• Впервые исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства квантовых ям, квантовых точек и сверхрешеток типа II СаАзЛЗДАз^Ь. Квантовые точки, сформированные в результате процессов самоорганизации при росте тонких упруго растянутых слоев ваАв в матрице Са(Аз)8Ь, демонстрируют яркую фотолюминесценцию вплоть до комнатной температуры в спектральной области 1.8 мкм - 2.5 мкм. В сверхрешетках обнаружена тенденция к пространственной корреляции положений квантовых точек в соседних слоях.

• Впервые получены и исследованы электролюминесценция и лазерная генерация в диодах с короткопериодной сверхрешеткой, включающей квантовые ямы и точки типа II ОаАв/Оа(А8)8Ь.

• Впервые исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства массивов квантовых дисков со структурой зон типа II бинарного полупроводника (Сс18е), не имеющего общих атомов с окружающей матрицей (ВеТе). на защиту выносятся

1. Теоретический и экспериментальный подход к исследованию полупроводниковых апериодичных сверхрешеток, позволивший сформулировать принципы конструирования систем связанных квантовых ям, обеспечивающих максимальную туннельную прозрачность для носителей заряда при приложении электрического поля, обосновать применимость оптической экситонной спектроскопии для определения свойств протяженных электронных состояний в таких системах и продемонстрировать возможность приборного применения апериодичных сверхрешеток в качестве эффективных инжекторов носителей заряда в биполярных диодных структурах.

2. Оптико-спектроскопическое исследование экситонных свойств сверхрешеток и квантовых ям на основе немагнитных и полумагнитных полупроводников группы 2 6

А В , сделавшее возможным описание эволюции экситонного спектра сверхрешеток в зависимости от степени структурного беспорядка, выяснение особенностей кинетики энергетической релаксации и транспорта экситонов в немагнитных сверхрешетках СсШе^пБе, определение основных каналов потери спиновой поляризации в процессе инжекции спин-поляризованных носителей из полумагнитной сверхрешетки гпМпБе/СсШе в немагнитную квантовую яму гпСс^е и реализацию оптического переключения знака спиновой поляризации.

3. Магнито-оптическое исследование процессов магнитной локализации носителей в полумагнитных сверхрешетках и квантовых ямах типа И, показавшее возможность сосуществования в квази-равновесии экситонных магнитных поляронов и экситонов, локализованных немагнитным образом, а также неэффективность автолокализации экситонного магнитного полярона в квантовых ямах на основе 7пМп8е.

4. Комплексное исследование оптических, электронных и структурных свойств гетероструктур, включающих сверхтонкие упруго напряженные вставки ваАэ в матрице Са(Аз)8Ь, позволившее определить морфологию слоев ваАз в зависимости от их номинальной толщины, установить тип II зонной структуры вставок, идентифицировать стадию образования малодефектных оптически активных квантовых точек, показать тенденцию к вертикальным корреляциям в положении квантовых точек в разных слоях сверхрешеток СаА$ЛЗа(А8)8Ь и продемонстрировать перспективность использования таких сверхрешеток в качестве активной области лазерных диодов, работающих в ближней и средней ИК областях спектра.

5. Оптическое и структурное исследование сверхрешеток слоев Сс18е и ВеТе - бинарных соединений, не содержащих общих атомов, показавшее определяющую роль интерфейсных химических связей в процессе самоорганизации квантовых дисков и их упорядочении в трехмерном шахматном порядке, а также продемонстрировавшее применимость спектроскопии линейно-поляризованнного света для определения симметрии электронных состояний в подобных наноструктурах.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 23-х

Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:

• 23-м Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, Россия, 1996 г.)

• 2-й и 6-й Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 1996, 2003 гг.)

• 9-й Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Льеж, Бельгия, 1996 г.)

• Зимних школах ФТИ (Санкт-Петербург, 1997, 2001 гг.)

9-й, 10-й и 11-й Международных конференциях по соединениям А В (Киото, Япония, 1999 г.; Бремен, Германия, 2001 г.; Ниагара Фоллс, США, 2003 г., приглашенный доклад).

7-й Международной конференции по формированию полупроводниковых интерфейсов (Гетеборг, Швеция, 1999 г.).

6-й Международной конференции по оптике экситонов в ограниченных системах (Аскона, Швейцария, 1999).

Международном семинаре по достижениям в росте и характеризации полупроводников группы II-VI (Вюрцбург, Германия, 1999).

25-й и 26-й Международных конференциях по физике полупроводников (Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Великобритания, 2002 гг.).

2-й Международной конференции по сверхрешеткам, наноструктурам и наноприборам (Тулуза, Франция, 2002 г.).

Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология (Санкт-Петербург, 1996,2000,2001,2003 гг.).

1-й Международной конференции по физике и применениям спин-зависимых явлений в полупроводниках (Сендай, Япония, 2000 г.).

Международной конференции Общества исследования материалов (MRS) (Бостон, США, 2001 г.)

2-й Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в нитридах (Рефимнон, Греция, 2002, приглашенный доклад).

2-м Международном симпозиуме и летней школе "Нано- и Гига- задачи в микроэлектронике" (Краков, Польша, 2004, пленарный доклад).

Похожие диссертационные работы по специальности «Физика полупроводников», 01.04.10 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Торопов, Алексей Акимович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы были получены следующие основные результаты.

1. Выполнен цикл работ по конструированию и исследованиям апериодичных сверхрешеток в системе ОаАз/АЮаАз:

- На основе метода сильной связи разработан алгоритм, позволяющий однозначным образом рассчитывать параметры апериодичной сверхрешетки, обеспечивающей формирование квази-минизоны на определенной энергии, с определенной шириной и в определенном электрическом поле;

- Формирование квази-минизоны в апериодичной электронной сверхрешетке, содержащей 9 квантовых ям ОаАз/АЮаАз, подтверждено экспериментально в результате исследования спектров фотолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции в содержащей сверхрешетку р-ьп гетероструктуре при варьируемом напряжении смещения. Продемонстрировано замешивание в области резонанса экситонных состояний из, по меньшей мере, 6-ти квантовых ям. Показано, что кулоновское взаимодействие электрона с дыркой обуславливает увеличение резонансного электрического поля и уменьшение протяженности электронной волновой функции;

- Показана эффективность работы апериодичных сверхрешеток в качестве электронного и дырочного инжекторов в ваАз/АЮаАз рч-п лазерном диоде. Обнаружена бистабильность вольт-амперной характеристики, сопровождаемая бистабилыюстыо электролюминесценции и лазерной генерации. Возникновение бистабильности объяснено эффектами накопления и перераспределения пространственного заряда в апериодичных сверхрешетках.

2. Выполнен цикл работ по исследованию процессов энергетической и спиновой релаксации, а также транспорта носителей в сверхрешетках Сс1(Мп)5е/2п(Мп)5е:

- Экситонный спектр исследован в зависимости от степени беспорядка в слоях сверхрешеток Сс18е/2п8е. Увеличение беспорядка в слоях приводит к сдвигу нижнего экситонного пика в длинноволновую сторону и подавления его относительной интенсивности. Оба эффекта объяснены неоднородностью латерального распределения Сё в плоскости слоев, т.е. образованием гпСёБе островов;

- Эксперименты по исследованию резонансной ФЛ позволили определить особенности энергетической релаксации и локализации экситонов в разупорядоченных сверхрешетках Сс18е/2п8е. Оказалось, что понятие экситонного края подвижности в этих структурах имеет ограниченное применение, вероятно, из-за наличия "макроскопических" корреляций на шкале размеров, сильно превышающих боровский радиус экситона;

- Инжекция спин-поляризованных носителей из полумагнитной сверхрешетки в немагнитную квантовую яму наблюдалась во внешнем магнитном поле в структурах, содержащих СсШе^пМпБе сверхрешетку с вставленной квантовой ямой гпСсШе. Показано, что максимальная эффективность спиновой инжекции (~30 %) определяется процессами спиновой релаксации в квантовой яме 2пСс18е, используемой в качестве оптического детектора электронной спиновой поляризации;

Эффективность спиновой релаксации в полумагнитной сверхрешетке СёБе/гпМпБе исследована в зависимости от величины спинового расщепления экситонов. Обнаружено пороговое поведение: скорость релаксации между спиновыми подзонами резко растет при превышении спиновым расщеплением энергии возбуждения оптического фонона;

- В структуре, включающей немагнитную квантовую яму гпСёБе и полумагнитную квантовую яму гпМпБе, реализовано переключение знака спиновой поляризации при изменении длины волны возбуждающего света или величины внешнего магнитного поля.

3. Исследована кинетика локализации экситонов в полумагнитных сверхрешетках и множественных квантовых ямах гпМпБе^пЗБе. Длинные времена рекомбинации (~5 не), характерные для исследуемых квантовых ям типа II, позволили полностью описать процесс формирования экситонного магнитного полярона - вплоть до установления квази-равновесных условий. Обнаружен эффект сосуществования экситонных магнитных поляронов и экситонов, локализованных немагнитным образом, определяемый статистикой начальной локализации электронов в немагнитной квантовой яме гпББе и дырок в полумагнитной квантовой.яме 7пМпБе.

4. Выполнен цикл работ по структурной и оптической характеризации гетероструктур с квантовыми ямами, квантовыми точками и сверхрешетками ваЛв!. хБЬх/ОаАз^уБЬу (х«у):

- Определена связь между структурными и фотолюминесцентными свойствами структур, включающих тонкие упруго-растянутые вставки ОаАв в матрице Оа(Аз)8Ь. Узкий пик фотолюминесценции с энергией кванта вблизи 0.7 эВ, положение которого лишь слабо зависело от номинальной толщины вставок, был идентифицирован как излучение одно-монослойной СаАзБЬ квантовой ямы типа II. Более широкий пик, наблюдавшийся в слоях с номинальной толщиной превышающей ~1 монослой и быстро сдвигающийся с увеличением номинальной толщины в сторону меньших энергий, был определен как излучение СаАвБЬ квантовых точек типа II;

- Электролюминесценция и лазерная генерация наблюдались в р-1-п лазерных диодах, включающих в активной области сверхрешетку типа II GaAsi.xSbxZGaAsi.ySby (х«у);

5. Исследованы структурные и фотолюминесцентные свойства гетероструктур со сверхрешетками тонких вставок С<18е в матрице ВеТе:

- Определена связь основных характеристик спектра фотолюминесценции (положение и интенсивность пика) и морфологии структур, определяемой параметрами роста интерфейсных слоев. Максимальная интенсивность фотолюминесценции соответствовала формированию упорядоченного (30 шахматный порядок) массива плоских островков (квантовых дисков);

- Измерена зависимость степени линейной поляризации фотолюминесценции по отношению к латеральным кристаллическим осям [110] и [1-10] в зависимости от степени упорядоченности массивов квантовых дисков и химического состава интерфейсных слоев. Максимальная степень поляризации (~80%) соответствовала образцам с хорошо упорядоченным массивом квантовых дисков. Такая большая величина степени поляризации свидетельствует о близости симметрии электронных состояний, участвующих в излучательных переходах, к симметрии одиночного плоского гетероинтерфейса (СгУ).

Совокупность решенных в работе проблем может быть сформулирована как решение важной для нашей страны научной и практической задачи - определения фундаментальных свойств класса низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур, перспективных для использования в электронных, оптоэлектронных и спиптронных приборах нового поколения.

В заключении мне хочется поблагодарить всех, чье участие, помощь и поддержка способствовали реализации этой программы исследований и написанию диссертационной работы. Прежде всего, моих коллег и друзей, без совместных напряженных усилий которых эта работа была бы невозможна: Сергея Иванова, Татьяну Шубину, Сергея Сорокина, Ирину Седову, Ольгу Люблинскую, Антона Лебедева, Якова Терентьева, Бориса Мельцера, Виктора Соловьева, Алевтину Копьеву, Регинальда Кютта, Аллу Ситпикову, Наталью Ильинскую и других сотрудников лабораторий института.

Людей, поддерживающих и направляющих мою научную работу в различные периоды жизни: Р.П. Сейсяна, П.С. Копьева и Е.Л. Ивченко.

Я также благодарен моим иностранным коллегам за плодотворное многолетнее сотрудничество и человеческое взаимопонимание: сотрудникам лаборатории проф. А. Ваага (Университет г. Брауншвайг, Германия), лаборатории проф. Б. Монемара (Отдел физики и технологии Университета г. Линчепинг, Швеция) и лаборатории проф. М. Вилландера (Университет г. Гетеборга и Чалмерс Университет, Швеция).

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Торопов, Алексей Акимович, 2005 год

1. W. Molenkamp, Electron spin manipulation using semimagnetic resonant tunneling diodes //

2. GexSiix/Si strained-layer heterostructures // Appl. Phys. Lett., 1985, v. 47, p. 322-324.93*, Y.-W. Mo, D.E. Savage, B.S. Swartzentruber, M.G. Lagally, Kinetic pathway in Stranski

3. Box Islands on GaAs(lOO) // Phys. Rev. Lett., 1995, v. 75, pp. 2542-2545.120Î J. Tersoff, C. Teichert, M.G. Lagally, Self-Organization in Growth of Quantum Dot

4. Superlattices // Phys. Rev. Lett., 1996, v. 76, pp. 1675-1678.121* G.S. Solomon, J.A. Trezza, A.F. Marshall, J.S. Harris, Vertically Aligned and

5. As/GaAs self-organized quantum dots // Phys. Rev. B, 2001, v.63, pp. 233306-1 233306-4.

6. ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ВКЛЮЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИЮ

7. S.M. Сао, М. Willander, E.L. Ivchenko, A.I. Nesvizhskii, A.A. Toropov, Electrons and excitons in an imperfect superlattice in electric fields // Superlattices and Microstructures, 1995, v. 17, pp. 97-105.

8. A.A. Toropov, T.V. Shubina, R.N. Kyutt, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, D.L. Fedorov, M. Karlsteen, M. Willander, Excitonic spectrum in CdSe/ZnSe disordered superlattices // phys. stat. sol. (a), 2000, v. 178, pp. 203-210.

9. R.N. Kyutt, A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, M. Karlsteen, M. Willander, Spatial distribution of Cd in CdSe/ZnSe superlattices studied by X-ray diffraction //Applied Surface Science, 2000, v. 166, pp. 341-345.

10. A.A. Toropov, T.V. Shubina, A.V. Lebedev, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov,\G.R. Pozina, J.P. Bergman, B. Monemar, Dynamics of excitons near the mobility edge in CdSe/ZnSe superlattices // Journal of Crystal Growth, 2000, v. 214/215, pp. 806-809.

11. T.V. Shubina, A.A. Sitnikova, V.A. Solov'ev, A.A. Toropov, I.V. Sedova, S.V. Ivanov, M. Keim, A. Waag, G. Landwehr, Defect-induced island formation in CdSe/ZnSe structures // Journal of Crystal Growth, 2000, v. 214/215, pp. 727-731.

12. A.A. Toropov, S.V. Sorokin, K.A. Kuritsyn, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, G. Reuscher, A. Waag, G. Landwehr, Mt. Wagner, W.M. Chen, B. Monemar, Magnetooptical studies of CdSe/(Zn,Mn)Se semimagnetic nanostructures // Proceedings of 8' Int. Symp.

13. Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 19-23, 2000, pp. 440-443.

14. I.A. Buyanova, W.M. Chen, B. Monemar, A.A. Toropov, Ya.V. Terent'ev, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, On the spin injection in ZnMnSe/ZnCdSe heterostructures // Physica E, 2002, v. 13, pp. 538-541.

15. I.A. Buyanova, G.Yu. Rudko, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Control of spin functionality in ZnMnSe-based structures: Spin switching versus spin alignment // Appl. Phys. Lett., 2003, v. 82, pp. 1700-1702.

16. I.A. Buyanova, G.Yu. Rudko, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Resonant suppression of exciton spin relaxation in Zno.96Mno.04Se/CdSe superlattices // J. Appl. Phys., 2003, v. 93, pp. 7352-7354.

17. I.A. Buyanova, W.M. Chen, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, Exiton Spin Manipulation in ZnMnSe-based Structures // Journal of Superconductivity, 2003, v. 16, pp. 399-402.

18. A.A. Торопов, A.B. Лебедев, C.B. Сорокин, Д.Д. Солнышков, C.B. Иванов, П.С. Копьев, И.А. Буянова, В.М. Чен, Б. Монемар, Полумагнитные сверхрешетки типа II ZnMnSe/ZnSSe: рост и магнитолюминесцентные свойства // ФТП, 2002, т. 36, с. 1372-1378.

19. V.A. Solov'ev, A.A. Toropov, B.Ya. Mel'tser, Ya.V. Terent'ev, R.N. Kyutt,

20. A.A. Sitnikova, A.N. Semenov, S.V. Ivanov, Motlan, E.M. Goldys, P.S. Kop'ev, Novelth

21. GaAs/GaSb heterostructures emitting at 2 цт wavelength // Proceedings of 9 Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia, June 18-22,2001, pp. 58.

22. A.A. Toropov, O.G. Lyublinskaya, V.A. Solov'ev, S.V. Ivanov, Sb-based nanostructures for mid-IR optoelectronics // Chapter in "III-V Semiconductor Heterostructures: Physics and Devices" (ed. W.Z. Cai, Research Signpost), 2003, pp. 169-199.

23. S.V. Ivanov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, A.A. Toropov, R.N. Kyutt, A.A. Sitnikova, M. Willander, A. Waag, G. Landwehr, Interface Engineering in Type-II CdSe/BeTe Quantum Dots // Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 2002, v. 696, pp. N6.4.1-6.4.6.

24. S.V. Ivanov, A.A. Toropov, T.V. Shubina, S.V. Sorokin, R.N. Kyutt, A.A. Sitnikova, D.D. Solnyshkov, O.V. Nekrutkina, CdSe-based nanostructures: growth, properties, lasers // phys. stat. sol. (b), 2004, v. 241, pp. 531-537.

25. A.A. Toropov, O.V. Nekrutkina, M.O. Nestoklon, S.V. Sorokin, D.D. Solnyshkov, S.V. Ivanov, A. Waag, G. Landwehr, T-X electron level crossover in ZnSe/BeTe multiple quantum wells // Phys. Rev. B, 2003, v. 67, pp. 113307(1-4).

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.