Особенности спин-орбитального взаимодействия в сложных гетероструктурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Романов, Константин Сергеевич

• Романов, Константин Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Романов, Константин Сергеевич

Введение

1 Особенности энергетического спектра и квантового магне-тотранспорта в гетеропереходах II типа

1.1 Свободные волны.

1.2 Гетеропереход.

1.3 Обсуждение результатов.

1.4 Сравнение с экспериментальными данными.'.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности спин-орбитального взаимодействия в сложных гетероструктурах»

В связи с развитием технологий появилась возможность экспериментального исследования различных сложных гетероструктур, например таких как самосогласованные гетеропереходы Н-го рода, дельта-легированные квантовые ямы, системы двойных квантовых ям. В этих гетерострук-турах проявляются новые, ранее не изученные эффекты, которые не могут быть обнаружены в простых квантовых ямах и гетеропереходах.

В системах состоящих из двух близко расположенных квантовых ям при определённом выборе материалов ям можно подобрать зонную структуру так, что при оптической накачке индуцированные носители разных знаков будут пространственно разнесены. То есть сформируются два заряженных слоя: слой электронов, локализованных преимущественно в одной ямс и слой дырок, локализованных в другой яме. Такая конфигурация носителей приводит к тому, что оптические и транспортные свойства структуры сильно зависят от концентрации носителей (даже если число дырок и электронов одинаково) и внешнего электрического поля, приложенного вдоль оси роста структуры. Так, например, наблюдается большой сдвигу линии фотолюминесценции при увеличении интенсивности накачv ки по сравнению с аналогичным сдвигом в простой одиночной квантовой яме. Подобные свойства делают такие структуры весьма интересными с прикладной точки зрения, например их можно использовать для создания различных оптических устройств.

Дельта легирование гетероструктур, в свою очередь, позволяет изучать влияние потенциала структуры на локализованную на примеси частицу. Системы, сочетающие в себе примеси и гетероструктуры, весьма интересны как для экспериментального, так и для теоретического исследования. В них, помимо собственно потенциала точечного дефекта, который очень сложно контролировать, на локализованный носитель воздействует также и потенциал гетероструктуры. Современные технологии позволяют очень гибко в широких пределах варьировать свойства выращиваемых структур. Поэтому, системы, содержащие как одиночные дефекты, так и воздействующие на них гетероструктуры дают возможность относительно просто модифицировать параметры локализованных на дефектах носителей.

С другой стороны, контролированное введение примесей создаёт гетероструктуры, качественно отличающиеся от нелегированных, меняя люминесцентные и транспортные свойства.

Кроме того, наличие ограничивающего потенциала гетероструктуры, дельта легированных квантовых ям упрощает исследование перезаряженных центров, таких, как например отрицательно заряженный донор или положительно заряженный акцептор (D(-) и А(+) центры соответственно).

Как известно, по энергетической структуре, гетеропереходы делятся на три типа: I, II, На. В гетероперехода 1-го типа дно зоны проводимости и вершина валентной зоны одного полупроводника находятся соответственно ниже дна зоны проводимости и выше вершины валентной зоны другого полупроводника. Типичным примером такого гетероперехода является переход GaAs/AlGaAs. В гетеропереходах Н-го типа запрещённые зоны материалов смещены друг относительно друга так, что запрещённая зона первого частично перекрывается с зоной проводимости второго, а запрещённая зона второго материала перекрывается с валентной зоной первого. Переход Па типа напоминает гетеропереход П-го типа, но со значительно большим смещением зон: запрещённые зоны раздвинуты настолько сильно, что существует энергетическое перекрытие между валентной зоной одного полупроводника с зоной проводимости другого. Переходы такого типа интересны во-первых тем, что в их спектрах нет зазора, соответствующего запрещённой зоне, а во-вторых тем, что в них наблюдается сильное взаимодействие между валентной зоной и зоной проводимости разных полупроводников.

Самосогласованные гетеропереходы Па типа отличаются от простых гетеропереходов На типа, тем, что с обеих сторон интерфейса образуются потенциальные ямы, в которых могут быть локализованные носители. Поскольку движение носителей вдоль оси роста структуры ограничено, имеются уровни размерного квантования. Наличие этих уровней приводит к значительному усложнению спектра гетероперехода. В таких гетеропереходах наблюдаются антиперессчсния уровней Ландау, образующих сложную картину магнетопроводимости в больших полях, когда имеет место эффект Холла.

Также в самосогласованных гетеропереходах На рода наблюдается сильная зависимость кинетических свойств от положения уровня Ферми. При этом небольшой по сравнению с энергетическим интервалом перекрытия валентной зоны и зоны проводимости контактирующих материалов сдвиг уровня Ферми может привести к изменению проводимости образца с дырочной на электронную и наоборот.

Значение спин-орбитального взаимодействия в вышеописанных системах достаточно велико. Так в самосогласованных гетеропереходах Па рода спин-орбитальное взаимодействие фактически формирует отличия таких гетеропереходов от простых, несвязанных квантовых ям. Отличия спектра, сложная структура и антипересечения уровней Ландау являются следствиями взаимодействия валентной зоны и зоны проводимости.

В квантовых ямах на основе полупроводников вида Л3В5, имеющих кубическую симметрию кристалла, дельта-легированных акцепторными примесями спин-орбитальное взаимодействие также играет существенную роль. Так как в полупроводниках с кубической симметрией это взаимодействие приводит к расщеплению валентной зоны кристалла вблизи вершины валентной зоны. Поэтому при исследовании акцепторных примесей, помещённых в квантовую яму из такого материала необходимо учитывать сложный характер валентной зоны. Наличие потенциала гетероструктуры приводит к расщеплению уровней дырки, локализованной на примеси, в то время как уровни акцептора в объёмном полупроводнике не расщеплены.

Одним из наиболее ярких проявлений процессов, обусловленных наличием спин-орбитального взаимодействия в полупроводниках и полупроводниковых структурах является сильная зависимость магнетосопротивления в классически слабых магнитных полях от величины магнитного поля -аномальное магнетосопротивленис. Аномальное магнетосопротивления полупроводников и металлов обусловлено явлением слабой локализации, которое заключается в интерференции прямой и обратной электронных волн при прохождении частицей замкнутой траектории в процессе рассеяния на различных конфигурациях примесей. Наиболее ярко эффект слабой локализации проявляется в магнитных полях, когда интерференция разрушается под воздействием классически слабого магнитного поля. Кроме магнитного поля интерференция волн может быть разрушена за счёт процессов спиновой релаксации, релаксации фазы волновой функции, межподзонны-ми переходами и д.р., поэтому экспериментальные исследования эффекта слабой локализации позволяют определить различные характерные времена релаксации носителей заряда.

В данной диссертации рассматриваются задачи, связанные с влиянием спин-орбитального взаимодействия в сложных, двумерных гетерострук-турах.

Задачи, поставленные и выполненные в рамках проведённого исследования:

1. Построение простой модели самосогласованного гетероперехода II-рода с перекрывающимися зоной проводимости одного из контактирующих полупроводников и валентной зоной другого. Описание с помощью этой модели особенностей энергетического спектра и плотности состояний гетероперехода в отсутствие и при наличии магнитного поля.

2. Построение простой модели глубокого акцептора, помещённого в квантовую яму из полупроводника с кубической симметрией, учитывающей сложную валентную зону. Определение зависимости положения связанного уровня от ширины квантовой ямы и параметров полупроводника.

3. Построение самосогласованной модели гетероструктуры, состоящей из двух связанных квантовых ям, в которой размерно-квантованные неравновесные носители разных знаков пространственно разнесены. Описание зависимости сдвига линии фотолюминесценции от интенсивности накачки. Исследование влияния обменно-корреляционных поправок на положение основных уровней размерно-квантованных электронов и дырок.

4. Теоретическое описание слабой локализации в двумерных структурах при наличии спиновой релаксации в рамках механизма Эллиота-Яфе-та. Определение зависимости магиетосопротивления как в малых, так и в относительно больших классически слабых магнитных полях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие зоны проводимости и валентной зоны в самосогласованных гетеропереходах На рода приводит к антипересечению уровней Ландау с одинаковыми номерами и возникновению квазищелей в спектре уровней Ландау.

2. Модель потенциала нулевого радиуса хорошо применима для описания А(+) центров в квантовых ямах, выращенных из материала, обладающего кубической симметрией, с учётом сложной валентной зоны.

3. Спиновая релаксация по механизму Эллиота-Яфета сильно влияет на эффект слабой локализации в двумерных системах как в диффузионном, так и в недиффузионном режимах.

4. Величина сдвига линии фотолюминесценции в несимметричных гетероструктурах, состоящих из двух связанных квантовых ям, зависит как от энергии электростатического взаимодействия носителей, так и от обменно-корреляционной энергии. Относительное влияние обмепно-корреляционных слагаемых падает с уменьшением величины перекрытия волновых функций носителей разных знаков.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые построена теория слабой локализации в 2d полупроводниковых структурах или металлических плёнках во всём интервале классически слабых магнитных полей в случае, когда спиновая релаксация носителей происходит по механизму Эллиота-Яфета. Показано, что спин-орбитальное взаимодействие существенно влияет на величину магнетосопротивления как в диффузионном, так и в недиффузионном режимах.

2. Впервые рассмотрены состояния дырки, локализованной на акцепторе или А+ центре в квантовой яме, в рамках метода потенциала нулевого радиуса.

3. Показано, что в самосогласованных гетеропереходах На типа в внешнем магнитном поле, возникают „квазищели" в плотности состояний.

4. Исследована зависимость положения уровней энергии системы, состоящей из двух связанных квантовых ям, от концентрации локализованных в ямах носителей. Показано, что влияние обменно-корреляцион-ных поправок на энергетический сдвиг основных уровней системы является существенным.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Романов, Константин Сергеевич

Заключение

Совокупность представленных в диссертации результатов исследований позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту.

1. Для двумерных структур построена теория слабой локализации с учётом спин-орбитального взаимодействия при рассеянии на примесях во всём интервале классически слабых магнитных полей.

2. Спиновая релаксация по механизму Эллиота-Яфета влияет на аномальное магнетосопротивление как в диффузионном, так и в недиффузионном режимах. В пределе относительно больших классически слабых полей, вклад в проводимость за счёт спин-орбитального взаимодействия при рассеянии на примесях линеен относительно отношения времени релаксации импульса к времени спиновой релаксации.

3. Взаимодействие зоны проводимости и валентной зоны в самосогласованных гетеропереходах Па типа приводит к антипересечению уровней Ландау с одинаковыми номерами и возникновению квазищелей в спектре уровней Ландау.

4. Модель потенциала нулевого радиуса хорошо применима не только для описания состояний дырки, локализованной на глубоком акцепторе в объёмном полупроводнике, но и для описания дырки, локализованной на А(+) центре в квантовой яме.

5. На основании метода потенциала нулевого радиуса разработана одно-параметрическая модель глубокого акцептора или А(+) центра, помещённого в квантовую яму, с помощью которой количественно описывается электронная структура объекта. Получены аналитические выражения для волновых функций и секулярного уравнения.

6. Небольшое увеличение перекрытия волновых функций электронов и дырок в структурах с пространственным разделением носителей заряда приводит к значительному уменьшению величины сдвига энергии рекомбинации от концентрации носителей.

7. В структурах с пространственным разделением носителей заряда определяющее влияние на положение основных уровней электронов и дырок оказывает расталкивающий электростатический потенциал.

8. Метод Хартри, с учётом обменно-корреляционных поправок, позволяет количественно описать влияние концентрации носителей на положение линии фотолюминисценции в структурах, состоящих из двух взаимодействующих квантовых ям, с пространственным разделением носителей разных знаков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Романов, Константин Сергеевич, 2005 год

1. Altarelli М. Electronic structure and semiconductor-semimetal transition in 1.As-GaSb superlattices // Phys. Rev. В.— 1983.— Vol. 28,— Pp. 842-845.

2. Sai-Halasz G., Esaki L., Harrison W. InAs-GaSb superlattice energy structure and its semiconductor-semimetal transition // Phys. Rev. В.— 1978. Vol. 18.- Pp. 2812-2818.

3. Electronic states and quantum Hall effect in GaSb-InAs-GaSb quantum wells / M. Altarelli, J. Maan, L.L.Chang, L.Esaki // Phys. Rev. В.— 1987. Vol. 35,- Pp. 9867-9870.

4. Ландау Л., Лифшиц E. Курс теоретической физики: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2004.— Vol. III. Квантовая механика (нерелятивистская теория).

5. Landolt М., Bornstein R. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. — New-York: Springer, 1982. — Vol. 17a, Physics of Group IV Elements and III-V Compounds. — P. 853.

6. Сурис P. Пограничные состояния в гетеропереходах // ФТП.— 1986. — Т. 20, № 11.-С. 2008-2015.7. de Leon S., Shvartsman L., Laikhtman B. Band structure of coupled

7. As/GaSb quantum wells // Phys. Rev. В.— 1999.- Vol. 60.— Pp. 1861-1870.

8. Halvorsen E., Galperin Y., Chao K. Optical transitions in broken gap heterostructurcs // Phys. Rev. B. — 2000. — Vol. 61.—Pp. 16743—16749.

9. Zakharova A., Yen S., Chao K. Hybridization of electron, light-hole, and heavy-hole states in InAs/GaSb quantum wells // Phys. Rev. B. — 2001. — Vol. 64. P. 235332.

10. Interface-induced phenomena in type II antimonide-arsenide heterostructures / M. Mikhailova, K. Moiscev, V. Berezovetz et al. // IEE Proc.-Optoelectron. Vol. 145. — 1998. — P. 268.

11. Электролюминесценция в полуметаллическом канале на одиночной разъединенной гетерогранице II типа / К. Моисеев, М. Михайлова, Ю. Яковлев и др. // ФТП. 2003. - Т. 37.- С. 1214.

12. Quantum magnetotransport at a type II broken-gap single heterointerface / K. Moiseev, V. Berezovets, M. Mikhailova et al. // Sur.Science. — 2001.— Vol. 482, no. 2.-P. 1083.

13. Two-dimensional semimetal channel in a type II broken-gap GalnAsSb/InAs single heterojunction / V. Berezovets, M. Mikhailova, K. Moiscev et al. // phys.stat.sol.(a).- 2003. — Vol. 195, no. 1.- P. 194.

14. Магнитотранспорт в полуметаллическом канале в гетероструктурах р — GaixInxAsySbiy/p — InAs с различным составом твердого раствора / Т. Воронина, Т. Лагунова, М. Михайлова и др. // ФТП. — 2000. — Т. 34, № 2. С. 194.

15. Зависимость энергии активации А(+)-центров от ширины квантовых ям в структурах GaAs/AlGaAs / Ю. Иванов, П. Петров, А. Тонких и др. // ФТП- 2003.-Т. 37, № 9.-С. 1114-1116.

16. Проявление верхней зоны Хаббарда в проводимости двумерных структур p-GaAs-AlGaAs / Н. Агринская, Ю. Иванов, В. Устинов, Д. Полос-кин // ФТП. 2000. - Т. 35. - С. 571.

17. Проявление А(+) центров в люминисценции двумерных структур GaAs/AlGaAs / Ю. Иванов, Н. Агринская, П. Петров и др. // ФТП.— 2002. Т. 36, № 8. - С. 993-995.

18. Masselink W., Chang Y.-C., Могкос Н. Binding energies of acceptors in GaAs AlxGaixAs quantum wells // Phys. Rev. B. — 1983. — Vol. 28. — Pp. 7373-7376.

19. Белявский В., Гольдфарб M., Копаев Ю. Энергия связи кулоновских акцепторов в системах квантовых ям // ФТП. — 1997.— Т. 31, № 9.— С. 1095-1099.

20. Мелкие акцепторы в напряжённых гетероструктурах Ge/GeixSix с квантовыми ямами / В. Алёшкин, Б. Андреев, В. Гавриленко и др. // ФТП. 2000. - Т. 34. - С. 582-587.

21. Перелъ В., Яссиевич И. // ЖЭТФ.- 1982.- Т. 82, № 0.- С. 237.

22. Пахомов А., Халипов К., Яссиевич И. // ФТП.— 1996.— Т. 30.— С. 1387.

23. Krivolapchuk V. V., Moskalenko Е. S., Zhmodikov A. L. Specific featuresof the indirect exciton luminescence line in GaAs/AlxGaixAs double quantum wells // Phys. Rev. В.— 2001.- Vol. 64.- P. 045313.

24. Fukuzava Т., Mendez E. E., Hong J. M. Phase transition of an exciton system in gaas coupled quantum wells // Phys. Rev. Lett— 1990.— Vol. 64. Pp. 3066-3069.

25. Exciton tunneling revealed by magnetically tuned interwell coupling in semiconductor double quantum wells / I. Lawrence, S. Haacke, H. Mariette et al. // Phys. Rev. Lett. 1994. - Vol. 73. — Pp. 2131-2134.

26. Smith D. L., Mailhiot C. Optical properties of strained-layer superlattices with growth axis along 111. // Phys. Rev. Lett.— 1987.— Vol. 58.— Pp. 1264-1267.

27. Mailhiot C., Smith D. L. Electromodulation of the electronic structure and optical properties of lll.-growth-axis superlattices // Phys. Rev. B. — 1988. Vol. 37. - Pp. 10415-10418.

28. Negoita V., Snoke D. W., Eberl K. Huge density-dependent blueshift of indirect cxcitons in biased coupled quantum wells // Phys. Rev. Lett. — 2000.-Vol. 61.-P. 2779.

29. Boring P., Gil B.} Moore K. J. Dramatic photoinduction of hole tunneling in double quantum wells with built-in piezoelectric fields // Phys. Rev. Lett. 1993. - Vol. 71. - Pp. 1875-1878.

30. Ultrafast all-optical gate with subpicosecond on and off response time / D. Hulin, A. Mysyrowicz, A. Antonetti et al. // Appl. Phys. Lett. — 1986. — Vol. 49.-Pp. 749-751.

31. Likamwa P., Kanan A. U // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.— 1996. Vol. 2. - P. 655.

32. Reboredo F. A., Proetto C. R. Novel magnetic instabilities in semiconductor double quantum wells // Phys. Rev. Lett.— 1997.— Vol. 79.— Pp. 463-466.

33. Gunnarsson 0., Lundqvist B. Exchange and correlation in atoms, molecules, and solids by spin-density-functional formalism // Phys. Rev. B. 1976. - Vol. 13. - Pp. 4274-4298.

34. D'yakonov M. I., Khaetskii A. V. Size quantization of the holes in a semiconductor with a complicated valence band and of the carriers in a gapless semiconductor // Soviet Physics JETP.— 1982.— Vol. 55, no. 5. - Pp. 917-920.

35. Bergmann G. Weak localization in thin films // PHYSICS REPORTS. -1984. Vol. 107. - Pp. 1-58.

36. Kawabata A. On the Field Dependence of Magnetoresistance in Two-Dimensional Systems // Journal of Physical Society of Japan.— 1984.— Vol. 53. Pp. 3540-3544.

37. Zduniak A., Dyakonov M., Knap W. Universal behavior of magnetoconductance due to weak localization in two dimensions // Phys. Rev. B. 1997. - Vol. 56. - Pp. 1996-2003.

38. Lyanda-Geller Y. Quantum interference and electron-electron interactions at strong spin-orbit coupling in disordered systems // Phys. Rev. Lett. — 1998. Vol. 80. - Pp. 4273-4276.

39. Weak andtiloealization and spin precession in quantum wells / W. Knap, C. Skierbiszewski, A. Zduniak et al. // Phys. Rev. В. 1996. — Vol. 53.-Pp. 3912-3923.

40. Релаксация спина и слабая локализация двумерных электронов в несимметричных квантовых ямах / А.М.Крещук, С.В.Новиков, Т.А.Полянская, И.Г.Савельев // ФТП.- 1997.- Т. 31.- С. 459-467.

41. Слабополевое магнитосопротивление двумерных электронов в гетеро-структурах Ino.53Gao.47As/InP в режиме замороженной фотопроводимости / Д. Быканов, А. Крещук, С. Новиков и др. // ФТП. — 1998. — Т. 32.-С. 1100-1107.

42. Zutic /., Fabian J., Sarma S. D. Spintronics: Fundamentals and applications // Rev. Mod. Phys. — 2004. Vol. 76. — Pp. 323-410.

43. Dmitriev A., Kachorovskii V., Gornyi I. Nonbackscattering contribution to weak localization // Phys. Rev. B. 1997. - Vol. 56. - Pp. 9910-9917.

44. Averkiev N., Golub L., Willander M. Spin relaxation anisotropy in two-dimensional semiconductor systems // Journal of Physics: Condensed Matter. 2002. - Vol. 14. - Pp. 271-1394.

45. Абрикосов А., Горькое JI., Дзялошинский И. Методы квантовой теории поля в статистической физике.— Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1962.

46. Hikami S., Larkin A., Nagaoka Y. On the Field Dependence of Magnetoresistance in Two-Dimensional Systems // Prog. Theor. Phys. — 1980. Vol. 63. - Pp. 707-710.

47. Kawabata A. Theory of Negative Magnetoresistancc I. Application to Heavily Doped Semiconductors // Journal of Physical Society of Japan. — 1980. Vol. 49. - Pp. 628-637.

48. Градштейн И., Рыжик И. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений.— М.: Физматгиз, 1963. — 1100 с.