Исследование A+ центров в двумерных структурах на основе GaAs тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Петров, Павел Вячеславович

• Петров, Павел Вячеславович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петров, Павел Вячеславович

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Н"-подобные центры в Si и Ge.

1.2 Особенности Н~-подобных центров в полярных полупроводниках

1.3 Неподобные центры в двумерных структурах.

1.4 Влияние магнитного поля на Неподобные центры

2 Проявление А+ центров в фотолюминесценции двумерных структур GaAs/AlGaAs

2.1 Показания к применению фотолюминесцентного метода.

2.2 Эксперимент.

2.3 Обсуждение результатов.

3 Энергия связи А+ центра в квантовых ямах GaAs/AlGaAs

3.1 Применение фотолюминесцентного метода для измерения энергии связи А+ центров.

3.2 Эксперимент.

3.3 Обсуждение результатов.

4 Тонкая структура А+ центров в квантовой яме

4.1 Измерение степени циркулярной поляризации фотолюминесценции, как метод изучения энергетической структуры

А+ центра.

4.2 Эксперимент.

4.3 Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование A+ центров в двумерных структурах на основе GaAs»

Объект исследования и актуальность темы. А+ центром в полупроводниках называется комплекс образованный нейтральным акцептором и захваченной им дополнительной дыркой. На данный момент существуют две физические модели объясняющие механизм такого захвата. Первая из них основывается на аналогии с отрицательно заряженным ионом водорода Н~. Атом водорода в такой модели рассматривается как диполь, который притягивает дополнительный электрон электростатическим потенциалом диполя ~ г~2. Второй подход заключается в использовании модели потенциала нулевого радиуса. Как известно, в периодическом потенциале атомов кристаллической решётки носитель заряда находящийся в разрешённой зоне может двигаться свободно. Нейтральный атом примеси нарушает периодичность потенциала, что приводит к образованию узкой потенциальной ямы, обычно описываемой S(f - го)-функцией.

Впервые на возможность существования в твёрдом теле центров, подобных иону водорода Н~, D~ центров и их аналога в полупроводниках р-типа — А+ центров, указал Lampert /1/ в 1958 году. Н~-подобные центры в твёрдых телах сразу привлекли внимание исследователей в самых разных областях физики. Основными вопросами изначально были вопросы о самом существовании таких центров, о величине энергии связи и о размере волновой функции в различных материалах. Интерес к А+ и D" центрам в объемных полупроводниках был вызван в первую очередь тем, что такие дефекты играют принципиальную роль в процессах прыжковой проводимости по примесным зонам. Системы с Н~-подобными центрами при различных концентрациях нейтральной примеси стали объектом изучения теории неупорядоченных систем с потенциалами малого радиуса. Так же Н~-подобные центры в полупроводниках привлекли значительное внимание как объекты моделирующие отрицательно заряженный ионон водорода в различных условиях. В частности, в астрофизике, в области изучения природы нейтронных звёзд и звёзд типа "белый карлик", оказалось необходимым исследовать поведение иона Н~ в пределе сильного магнитного поля, когда циклотронная частота, делённая пополам, превышает энергию связи атома водорода. В лабораторных условиях получить такое магнитное поле (> 105Т) невозможно, однако для D" центров в полупроводниках, ввиду малости их энергии связи и малой эффективной массы электрона, предел сильного магнитного поля оказывается легко достижим ЮТ). С развитием технологии получения гетероструктур стала актуальной задача изучения А+ и D- центров в квантоворазмерных системах. Так, например, в работе /51/ было показано, что наличие заряженных примесных состояний оказывает существенное влияние на работу резонансного туннельного диода. Последний всплеск активности исследований в данной области /5, 6/ был инициирован предложением схемы квантового компьютера на базе полупроводниковых материалов /7, 8/. А+ и D- центры, в данном контексте, представляют особенный интерес ввиду относительно большого, порядка 10нм, размера их волновой функции, что может позволить сконструировать наноразмерный прибор функционирующий на основе только одного "атомного" Н~-подобного состояния.

В отсутствие магнитного поля ион Н~ имеет одно синглетное состояние с энергией связи 0.055 Eq /2/, где Eq = т*е4/2Ь2с2 — эффективный ридберг. В полупроводниках, по причине малости эффективной массы носителей заряда и большой диэлектрической постоянной, энергия связи А+ и D" центров в несколько тысяч раз меньше, чем энергия связи иона Н-. Поэтому исследования Н~-подобных центров в объёмных полупроводниках возможны только при низких температурах ~ 1 К. Впервые существование заряженных примесей экспериментально было показано в работе Гершензона и др. /3/ (1971). Энергия связи А+ и D~ центров в германии и кремнии, измеренная в данной работе методом субмиллиметровой фотопроводимости, составила величину порядка 1-5 мэВ, в зависимости от материала и типа примеси.

Несмотря на сложность экспериментов и то, что в объёмном материале состояния заряженных примесей неравновесны, исследования Неподобных центров непрерывно продолжаются на протяжении последних 30 лет. Для исследований применяются такие методики, как фононная спектроскопия /60/, магнетнолюминесценция /52/, измерение проводимости в верхней зоне Хаббарда /4/.

С развитием техники эпитаксиального роста стало возможным изготовление квантоворазмерных структур содержащих Н~-подобные заряженные примесные состояния. Исследование А+ и D" центров в двумерных структурах имеет сразу два преимущества. Во-первых, методом двойного селективного легирования, легируя одновременно и яму и барьер, можно создавать равновесные заряженные состояния. Во-вторых, энергия связи локализованных состояний в квантоворазмерных структурах значительно возрастает, что позволяет изучать их при более высоких температурах.

D- центры в квантовых ямах к текущему моменту достаточно хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально (см. например /9, 10/). Между тем к началу работы над данной диссертацией была опубликована только одна статья посвященная А+ центрам в двумерных структурах /11/. В этой работе, методом исследования низкотемпературной проводимости квантовых ям содержащих А+ центры, была получена оценка для радиуса волновой функции дырки захваченной нейтральным акцептором (го ~ 8нм). Однако вопрос о других параметрах двумерного А+ центра оставался открытым.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось изучение свойств А+ центров в квантовых ямах.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Изучить возможность применения фотолюминесцентного метода для исследования А+ центров в квантовых ямах;

2. Исследовать экспериментально энергетическую структуру двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы;

3. С помощью метода измерения циркулярной поляризации фотолюминесценции исследовать экспериментально проявления тонкой, спиновой структуры А+ центра в магнитных полях;

4. Объяснить полученные экспериментальные результаты в рамках существующих теоретических моделей для А+ центра в квантовой яме.

Для решения поставленных задач использовался метод фотолюминесцентного анализа структур с А+ центрами, основанный на существовании механизма рекомбинации дырки, захваченной нейтральным акцептором, и свободного электрона /12/. Исследовались спектры фотолюминесценции при различных интенсивностях накачки и температуре образца. Для получения данных о тонкой структуре А+ центра, анализировалась степень циркулярной поляризации фотолюминесценции образцов помещённых в магнитное поле.

Научная новизна определяется следующими полученными в работе результатами:

1. В структурах, содержащих квантовые ямы GaAs/AlGaAs с двойным селективным легированием, обнаружена новая линия фотолюминесценции, соответствующая излучательной рекомбинации дырки основного состояния А+ центра и электрона со дна зоны проводимости.

2. Экспериментально измерена энергия связи двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы.

3. Обнаружено уменьшение степени циркулярной поляризации и интенсивности люминесценции в сильных магнитных полях обусловленное внутрицентровыми диамагнитными эффектами.

4. Экспериментально обнаружено существование тонкой структуры

А+ центра, состоящей из двух, основного и возбуждённого, состояний, и оценены параметры этой структуры.

Положения выносимые на защиту:

1. В квантовых ямах GaAs/AlGaAs с двойным селективным легированием р-типа существует излучательный рекомбинационный процесс, обусловленный переходом свободного электрона на А+ центр.

2. В спектре фотолюминесценции структур, содержащих равновесные А+ центры, доминируют две линии: линия излучательного перехода электрона со дна зоны проводимости на основной уровень А+ центра и линия рекомбинации экситона связанного на нейтральном акцепторе.

3. Энергетическая структура А+ центра в квантовой яме состоит из двух уровней — основного, со спином 3/2, и возбуждённого, со спином 1/2.

4. В сильных магнитных полях происходит пересечение уровней со спинами 3/2 и 1/2 таким образом, что уровень со спином 1/2 становится основным.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ им. Иоффе РАН, а также на следующих конференциях:

1. 26th International Conference: Physics of Semiconductors, 2002 Edinburg;

2. 11th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2003 St.Petersburg;

3. 12th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2004 St.Petersburg;

4. 27th International Conference on the Physics of Semiconductors — ICPS-27, 2004 Arizona;

5. 14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2006 St.Petersburg;

Содержание работы отражено в пяти публикациях. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Первая глава содержит обзор основных публикаций по теме диссертационной работы. В первом параграфе рассмотрены экспериментальные работы в которых впервые было показано существование заряженных примесных центров в полупроводниках аналогичных отрицательно заряженному иону водорода Н~. Во втором параграфе излагаются результаты исследований Н~-подобных центров в полярных полупроводниках. В третьем параграфе обзора описаны результаты исследований D" центров в двумерных структурах. Четвёртый параграф посвя-щён влиянию магнитного поля на состояния заряженных примесей. Во второй главе диссертации рассказывается о проведённых исследованиях А+ центров в квантовых ямах методом фотолюминесценции. Обсуждена сама возможность применения данного метода к изучаемому объекту, изложены результаты первых экспериментов. Во третьей главе описаны эксперименты, с помощью которых удалось измерить зависимость энер

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Петров, Павел Вячеславович

5. Заключение

В ходе работы проведено экспериментальное исследование А+ центров в двумерных структурах на основе GaAs. Получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что рекомбинация свободного электрона с А+ центром может происходить путём излучательного захвата электрона на основной уровень А+ центра, и обнаружена линия фотолюминесценции соответствующая данному процессу.

2. Показано, что спектр фотолюминесценции структур, содержащих равновесные А+ центры, состоит из двух линий: линии излучательного перехода электрона со дна зоны проводимости на основной уровень А+ центра и линии экситона связанного на неравновесном нейтральном акцепторе.

3. Экспериментально измерена зависимость энергии связи А+ центра от ширины квантовой ямы.

4. Показано существование тонкой энергетической структуры А+ центра в квантовой яме, состоящей из двух уровней, основного, со спином 3/2, и возбуждённого, со спином 1/2. Получены значения параметров характеризующих данную структуру и её поведение в магнитном поле.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Петров, Павел Вячеславович, 2006 год

1. M.A.Lampert, Phys.Rev.Lett. 1, 450 (1958)

2. C.L.Pekeris, Phys.Rev. 126, 1470 (1962)

3. Е.М.Гершензон, Г.Н.Гольцман, А.П.Мельников, Письма в ЖЭТФ, 14, 281 (1971)

4. А.П.Мельников, Ю.А.Гурвич, Л.Н.Шестаков, Е.М.Гершензон, Письма в ЖЭТФ, 65, 56 (1997)

5. J.Caro, I.D.Vink, G.D.J.Smit, et all, Phys.Rev.B, 69, 125324 (2004)

6. G.D.J.Smit, S.Rogge, J.Caro, and T.M.Klapwijk, Phys.Rev.B, 69, 085211 (2004)

7. B.E.Kane, Nature 393, 133 (1998)

8. A.J.Skinner, M.E.Davenport, B.E.Kane, Phys.Rev.Lett. 90, 087901-1 (2003)

9. V.D.Krevchik, A.B.Grunin, Vas.V.Evstifeev, Russian Physics Journal, 48, 465 (2005)

10. P.Redlinski and B.Janko, Phys.Rev.B, 71, 113309 (2005)

11. Н.В.Агринская, Ю.Л.Иванов, В.М.Устинов, Д.А.Полоскин, ФТП, 35, 571 (2001)

12. Е.М.Гершензон, Ю.П.Ладыжинский, А.П.Мельников, Письма в ЖЭТФ, 14, 380 (1971)

13. В.Н.Александров, Е.М.Гершензон, А.П.Мельников, Н.А.Серебрякова, ЖЭТФ, 70, 586 (1976)

14. P.Norton, J.Appl.Phys, 47, 308 (1976)

15. M.Taniguchi, S.Narita, J.Phys.Soc.Japan, 43, 1262 (1977)

16. В.Н.Александров, Е.Ф.Астахова, Е.М.Гершензон, А.П.Мельников, ФТП, И, 79 (1977)

17. M.Taniguchi, M.Hirano, and S.Narita, Phys.Rev.Lett. 35, 1095 (1975)

18. P.Norton, Phys.Rev.Lett. 37, 164 (1976)

19. В.Н.Александров, Е.М.Гершензон, В.А.Заяц, А.П.Мельников, Р.И.Рабиноч, Н.А.Серебрякова, Ю.В.Товмач, Письма в ЖЭТФ, 28, 226 (1978)

20. Ю.Н.Демков, В.Н.Островский. Модель потенциала нулевого радиуса в атомной физике. — И.: Издательство Московского Университета, 1975

21. С.Чандрасекар. Стохастические проблемы в физике и астрономии. М.: ИЛ, 1947

22. M.Taniguchi, S.Narita, M.Kobayashi, J.Phys.Soc.Japan, 45, 545 (1978)

23. Е.М.Гершензон, А.П.Мельников, Р.И.Рабинович, Н.А.Серебрякова, УФН, 132, 353 (1980)

24. S.J.Smith, D.S.Burch, Phys.Rev. 116, 1125 (1959)

25. J.P.Cheng, B.D.McCombe, J.M.Shi, F.M.Peeters, and J.T.Devreese, Phys.Rev.B 48, 7910 (1993)

26. J.Adamowski, Phys.Rev.B 39, 13 061 (1989)

27. D.M.Larsen, Phys.Rev.B 23, 628 (1981)

28. D.Chandramohan, S.Balasubramanian, M.Tomak, Phys.Rev.B 37, 7102 (1988)

29. C.J.Armistead, S.P.Najda, P.A.Makado, R.A.Stradling, P.C.Colter, G.E.Stillman, Solid State Communications, 48, 51 (1983)

30. C.J.Armistead, S.P.Najda and R.A.Stradling, J.C.Maan, Solid State Communications, 53, 1109 (1985)

31. S.P.Najda, C.J.Armistead, C.Trager, R.A.Stradling, Semicond.Sci.Technol. 4, 439 (1989)

32. D.A.Harrison, S.P.Watkins, M.L.W.Thewalt, D.J.S.Beckett, A.J.SpringThorpe, Phys.Rev.Lett. 80, 2461 (1998)

33. G.E.Stillman, D.M.Larsen, C.M.Wolfe, R.C.Brandt, Solid State Communications, 9, 2245 (1971)

34. W.Y.Ruan, K.S.Chan, E.Y.B.Pun, J.Phys.Condens.Matter, 13, 1329 (2001)

35. W.Y.Ruan, K.S.Chan, E.Y.B.Pun, Phys.Rev.B 63, 205204 (2001)36