Магнитооптика квазидвумерных электронов и пространственно непрямых экситонов в GaAs/AlGaAs гетероструктурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Ларионов, Андрей Владимирович

• Ларионов, Андрей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ларионов, Андрей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1 Литературный обзор.

1.1 Квазидвумерные электронные системы в квантующем магнитном поле.

1.2 Случай наклонного и параллельного поля.

1.3 Связанные состояния квазидвумерных электронов и дырок

- экситоны.

1.4 Пространственно непрямые экситоны.

2 Образцы и экспериментальная техника.

2.1 Одиночный гетеропереход СаАв/АЮаАз с ¿-легированием.

2.2 Г^-Ш и Р-Ш СаАв/АЮаАз структуры с ДКЯ.

2.3 Пикосекундная лазерная система.

3 Кинетика люминесценции двумерного электронного газа в одиночном СаАз/АЮаАэ гетеропереходе с ¿-легированием в параллельном магнитном поле.

3.1 Рекомбинация двумерных электронов.

3.2 Релаксация двумерных электронов.

4 Двумерный электронный газ в СаАв/АЮаАэ структурах с ДКЯ.

4.1 Двумерный электронный газ в СаАя/АЮаАя структурах с ДКЯ.

4.2 Двумерный электронный газ в СаАя/АЮаАя структурах с ДКЯ.

4.3 Нестабильности и шумы в спектрах люминесценции в Р-1

N СаАв/АЮаАз структурах с ДКЯ.

5 Непрямая рекомбинация электронов и дырок, локализованных на флуктуациях случайного потенциала, в р-1-п СаАя/АЮаАз структурах с ДКЯ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитооптика квазидвумерных электронов и пространственно непрямых экситонов в GaAs/AlGaAs гетероструктурах»

В течение последнего десятилетия прогресс в области микроэлектронной технологии привел к уменьшению характерных размеров полупроводниковых элементов до масштаба, сравнимого с межатомным расстоянием, а количества электронов, участвующих в их работе, - до нескольких десятков и даже единиц. Поэтому внедрение технологии столь высокого уровня оказалось тесно связано с развитием квантовомеханической теории низкоразмерных электронных систем. Специфика такого рода объектов заключается прежде всего в том, что энергетический спектр системы во многом определяется размерным квантованием, связанным с ограничением движения электронов в пространстве. Кроме того, на свойства системы большое влияние оказывают кулоновское взаимодействие в многоэлектронной системе. Все эти факторы усложняют задачу моделирования таких систем и делают чрезвычайно важными экспериментальные методы их изучения.

Полупроводниковые гетероструктуры, выращенные по технологии молекулярно-пучковой эпитаксии представляют собой очень удобный объект для экспериментального исследования электронно-дырочных систем в условиях размерного квантования. При этом ведущая роль отводится оптической методике, которая позволяет с высокой точностью получить информацию об энергетических уровнях и кинетических свойствах системы, поскольку переход системы с одного энергетического уровня на другой сопровождается испусканием или поглощением фотона. Кроме того, оптические свойства наноструктур важны и с точки зрения их применения в современной электронике, которая испытывает тенденцию все большего смещения в оптический диапазон частот используемых сигналов. И здесь квантовые энергетические уровни системы становятся основой работы как полупроводниковых лазеров, так и в перспективе - квантовых компьютеров, которые смогут реализовать когерентную и бездиссипативную обработку информации [1].

В гетероструктурах СаАв/АЮаАя квантовых ямах (КЯ) благодаря разнице в ширине запрещенной зоны двух полупроводниковых материалов возникает потенциальный барьер, ограничивающий движение носителей заряда в слое ваАэ в перпендикулярном к плоскости перехода направлении. В результате система становится квазидвумерной (2Д-) с энергетическим спектром, состоящим из совокупности зон размерного квантования. Наличие внешнего магнитного поля, перпендикулярного плоскости перехода, приводит к квантованию движения носителей в плоскости КЯ. В результате энергетический спектр системы разбивается на дискретные уровни Ландау. Дискретность энергетического спектра в перпендикулярном магнитном поле является специфическим свойством 2Д-систем и приводит к чрезвычайно интересному макроскопическому явлению чисто квантовой природы - целочисленному и дробному квантовому эффекту Холла (КЭХ) [2]. В то же время, дискретность энергетического спектра носителей приводит к тому, что спектр поглощения и испускания света разбивается на дискретные спектральные линии, каждая из которых соответствует строго определенному переходу между конкретными квантовыми состояниями системы. В отличие от магнито-транспортной методики, дающей информацию только о структуре состояний вблизи уровня Ферми, которые переносят электрический ток, этот метод позволяет изучать весь энергетический спектр 2Д-системы.

В последнее время магнитооптический метод был широко использован для исследования 2Д-электронных систем в режиме целочисленного и дробного КЭХ [3], однако гораздо меньше информации было получено о свойствах системы 2Д-электронов в параллельном магнитном поле, а также о таких специфичных для оптического метода исследования проблемах как динамика релаксации фотовозбужденных носителей и влияние кулоновского взаимодействия между фотовозбужденными электронами и дырками на энергетический спектр фотовозбужденной системы. Последний вопрос является чрезвычайно важным не только для интерпретации результатов оптических экспериментов, но и для более глубокого понимания таких фундаментальных физических явлений, как дробный К ЭХ и вигнеровская кристаллизация [4].

Интересным объектом исследования с точки зрения изучения коллективных явлений являются также туннельно связанные квантовые системы, такие, например, как двойные квантовые ямы (ДКЯ). В ДКЯ фотовозбужденные электроны и дырки могут захватываться в соседние близко расположенные (несколько нанометров) КЯ, что приводит к образованию пространственно непрямых экситонов. Такие экситоны имеют большие времена жизни (сотни наносекунд) и поэтому возможно возбуждать достаточно большую плотность таких экситонов при достаточно низких температурах, при которых ряд теоретических работ предсказывает (еще при ряде дополнительных условий) интересные коллективные свойства [31-36,40].

Целью данного цикла исследований является экспериментальное изучение кинетики излучательной рекомбинации и процесса межподзонной релаксации 2Д-электронов в одиночном СаАя/АЮаАя гетеропереходе с ¿»-легированием в параллельном магнитном поле; исследование возможности накопления 2Д-электронного газа и управления его концентрацией в СаАз/АЮаАв гетероструктурах с ДКЯ и изучение влияния случайного потенциала на пространственно непрямые экситоны и возможности возбуждения большой плотности непрямых экситонов в условиях беспорядка в СаАз/АЮаАэ гетероструктурах с ДКЯ.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:

1. Изучена кинетика излучательной рекомбинации 2Д-электронов в одиночном СаАя/АЮаАз гетеропереходе с ¿-легированием в параллельном магнитном поле при различных концентрациях электронов в двумерном канале.

2. Исследован процесс межподзонной релаксации 2Д-электронов в одиночном СаАй/АЮаАв гетеропереходе с ¿-легированием в параллельном магнитном поле и предложена теоретическая модель, объясняющая экспериментальные результаты.

3. Продемонстрировано, что в п-ьп и р-ьп СаАв/АЮаАв гетерострук-турах с ДКЯ при достижении критических условий возможно существование 2Д-электронного газа. Показано, что величиной концентрации 2Д-электронного газа можно управлять с помощью внешнего приложенного напряжения.

4. Показано, что флуктуации случайного потенциала в р-1-п СаАв/АЮаАв гетероструктурах с ДКЯ приводят к локализации фотовозбужденных электронов и дырок, так что их пространственно непрямая из-лучательная рекомбинация имеет экситонный характер только при температурах выше 15К. Определен характерный линейный размер флуктуаций случайного потенциала.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Первая глава представляет собой обзор основных результатов исследований 2Д-электронных систем оптическими и другими методами. Также дан обзор теоретических и экспериментальных работ относительно возможных сценариев, происходящих в газе пространственно непрямых экситонов в ДКЯ. Во второй главе кратко описаны технология приготовления образцов, магнитооптическая методика их исследования и измерительная аппаратура. В третьей главе обсуждаются межпод-зонная релаксация и процесс рекомбинации 2Д-электронов в одиночном СаАз/АЮаАв гетеропереходе с ¿-легированием в параллельном магнитном поле. В четвертой главе рассматривается вопрос о существовании

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Ларионов, Андрей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Целью настоящей диссертационной работы было экспериментальное изучение кинетики излучательной рекомбинации, межподзонной релаксации 2Д-электронов в параллельном магнитном поле при различных концентрациях электронов в двумерном канале и исследование пространственно непрямой рекомбинации фотовозбужденных носителей в СаАв/АЮаАз структурах с ДКЯ ямами с наклоненными зонами в условиях формирования в одной из КЯ 2Д-электронного газа. Для этого магнитооптическим методом была исследована люминесценция из одиночного СаАэ/АЮаАз гетероперехода п-типа, а также из п-ьп и р-1-п СаАэ/АЮаАв гетеро-структур с ДКЯ в широком диапазоне температур, плотности мощности фотовозбуждения и концентрации 2Б-электронов. Результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Экспериментально и теоретически исследован процесс излучательной рекомбинации 2Д-электронов с фотовозбужденными дырками, связанными на акцепторах ¿-слоя, удаленном от интерфейса на 30 нм, в параллельном магнитном поле в одиночном СаАя/АЮаАя гетеропереходе. Обнаружено ускорение е-Ь рекомбинации в слабых полях, которое связано со сдвигом электронов от интерфейса под воздействием силы Лоренца в направлении ¿-слоя. Найдено, что с дальнейшим ростом магнитного поля сильно возрастает роль локализации электронов в пределах магнитной длины вблизи интерфейса, что приводит к замедлению рекомбинации. Конкуренция двух указанных эффектов определяет наличие минимума в зависимости времени рекомбинации тгес от магнитного поля. С ростом концентрации положение минимума в зависимости тгес(В) смещается в область больших полей из-за увеличения фермиевской скорости электронов. Рассмотренная модель хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

2. Показано, что межподзонная релаксация 2Д-электронов в одиночном СаАв/АЮаАв гетеропереходе с подвижностью // = 8 * 105см2/Веек определяется упругим межподзонным рассеянием на шероховатостях интерфейса. Построена теоретическая модель, которая находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

3. Показано, что в СаАв/АЮаАэ структурах с ДКЯ (п-а-п или р-ьп) электрическое поле, перпендикулярное плоскости КЯ, может приводить к появлению в одной из КЯ 2Д-электронного газа. Условия возникновения вырожденного 2Д-электронного газа, его плотность и энергия основного состояния определены по структуре уровней Ландау в спектрах люминесценции и спектрах возбуждения люминесценции, а также по осцилляциям интенсивности излучательной рекомбинации в магнитном поле в условиях детектирования люминесценции непосредственно на уровне Ферми. Показано, что плотность электронов возрастает при увеличении наклона зон. При фиксированном наклоне зон плотность 2Д-электронов ограничена сверху их резонансным туннелированием в соседнюю КЯ и последующей прямой рекомбинацией с фотовозбужденными дырками.

4. Показано, что в р-ьп СаАэ/АЮаАз структурах с ДКЯ возможны два качественно различные режима распределения потенциала в направлении, перпендикулярном плоскости КЯ. При повышенных температурах и низких плотностях возбуждения электрическое поле однородно распределено по всему объему образца между легированными областями. При понижении температуры и увеличении плотности мощности возбуждения реализуется другой режим, при котором в одной из КЯ возникает 2Д-электронный газ, сильно экранирующий внешнее электрическое поле вблизи ДКЯ. В координатах температуры и плотности мощности возбуждения построена диаграмма, иллюстрирующая перестройку из одного режима в другой.

5. С помощью время-разрешенных и магнитополевых измерений установлено, что в исследуемых р-ьп СаАз/АЮаАв структурах с ДКЯ при низких температурах (< 10 К) и малых плотностях возбуждения ( < 10 мВт/см~2) пространственно непрямая е-Ь рекомбинация происходит между электронами и дырками, локализованными на флуктуациях случайного потенциала. С ростом температуры происходит делокализация носителей и при Т выше 15 К рекомбинация имеет экситонный характер. Найдено, что в исследуемых структурах средний размер флуктуаций составляет около 14 нм.

Автор признателен своему научному руководителю Владимиру Дмитриевичу Кулаковскому за внимание и содействие в работе. Искренне хочу поблагодарить Владислава Борисовича Тимофеева за совместное плодотворное сотрудничество, за многочисленные обсуждения и всестороннюю поддержку на всех этапах настоящей работы. Автор также очень признателен Алексею Ивановичу Филину и как соавтору в проводимых исследованиях и за неоценимую помощь в освоении экспериментальных и вычислительных методик. Хочу поблагодарить также всех сотрудников ЛНЭП за теплую дружескую атмосферу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ларионов, Андрей Владимирович, 1998 год

1. S. Lloyd, "A potentially realizable quantum computer", Science 261, 1569-1571, (1993).

2. R. E. Prange, S. M. Girvin, "The Quantum Hall Effect", 1990, New York: Springer.

3. I. V. Kukushkin and V. B. Timofeev, "Magneto-optics of strongly correlated two-dimensional electrons in single heterojunctions", Advances in Physics 45, 147-242 (1996).

4. Ю. E. Лозовик, В. И. Юдсон, "Кристаллизация двумерного электронного газа в магнитном поле", Письма в ЖЭТФ 22, 26-28 (1975).

5. I. V. Kukushkin, В. N. Shepel, О. V. Volkov, К. von Klitzing, "Strong reduction of the fermi energy of two-dimensional electrons in a parallel magnetic field", Письма в ЖЭТФ 60, 541 (1994).

6. Т. Ando, А. В. Fowler, F. Stern, "Electronic properties of two-dimensional systems", Rev. Mod. Phys. 54, 437-672 (1982).

7. K. v. Klitzing, G. Dorda, M. Pepper, "New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance", Phys. Rev. Lett. 45, 494-497 (1980).

8. D. C. Tsui, H. L. Stormer, A. C. Gossard, "Two-dimensional magnetotransport in the extreme quantum limit", Phys. Rev. Lett. 48, 1559-1562 (1982).

9. Э. И. Рашба, В. Б. Тимофеев, "Квантовый эффект Холла", ФТП 20, 977-1024 (1986).

10. Т. Chakraborty, P. Pietilainen, "The Fractional Quantum Hall Effect", 1988, New York: Springer.

11. D. Tsui, H. L. Stormer, J. С. M. Hwang, J. S. Brooks, M. J. Naugton, "Observation of a fractional quantum number", Phys. Rev. В 28, 22742275 (1983).

12. Jl. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, "Теоретическая физика", т. 3, с. 150, 1989, Москва: Наука.

13. Н. I. Ralph, "The electronic absorption edge in layer type crystals", Sol. St. Comm. 3, 303-306 (1965).

14. M. Shinada and S. Sugano, J. Phys. Soc. Jpn. 10, 1936 (1966).

15. R. L. Greene, К. K. Bajaj and D. E. Phelps, "Energy levels of Wannier excitons in GaAs/AlgGai-zAs quantum-well structures", Phys. Rev. В 29, 1807-1812 (1984).

16. L. C. Andreani and A. Pasquarello, "Accurate theory of excitons in GaAs/Al^Gai^As quantum wells", Phys. Rev. В 42, 8928-8938 (1990).

17. R. J. Elliot, R. Loudon, "Theor}' of fine structure on the absorption edge in semiconductors", J. Phys. Chem. Sol. 8, 382-388 (1959).

18. A. H. MacDonald and D. S. Ritchie, "Hydrogenic energy levels in two dimensions at arbitrary magnetic fields", Phys. Rev. В 33, 8336-8344 (1986).

19. G. E. W. Bauer, T. Ando, "Exciton mixing in quantum wells", Phys. Rev. В 38, 6015-6030 (1988).

20. L. Vina, G. E. W. Bauer, M. Potemski, J. С. Maan, E. E. Mendez, W. I. Wang, "Magnetic field effects in highly resolved two-dimensional excitons", Surf. Sci. 229, 504-507 (1990).

21. И. В. Лернер, Ю. E. Лозовик, "Экситон Мотта в квазидвумерном полупроводнике в сильном магнитном поле", Письма в ЖЭТФ 78, 1167-1175 (1978).

22. R. Merlin, Solid State Comm. 64, 99 (1987).

23. H. Tang and P. N. Butcher, "Parallel transport in a quasi-two-dimensional electron gas subjected to an in-plane magnetic field", J. Phys. С 21, 3313-3322 (1988).

24. В. E. Кирпичев, И. В. Кукушкин, В. Б. Тимофеев, В. И. Фалько, "Энергетический спектр двумерных электронов в наклонном магнитном поле", Письма в ЖЭТФ 51, 383-387 (1990).

25. Л. В. Келдыш, А. Н. Козлов, "Коллективные свойства экситонов в полупроводниках", ЖЭТФ 54, 978-993 (1968).

26. С. А. Москаленко, ФТТ 4, 276 (1962).

27. С. А. Москаленко, П. И. Хаджи, А. И. Бобрышева, ФТТ 5, 1444 (1963).

28. J. М. Blatt, К. W. Boer, W. Brandt, Phys. Rev. 126, 1691 (1962).

29. R. С. Casella, J. Apll. Phys., 34, 1703 (1963).

30. Ю. E. Лозовик, В. И. Юдсон, "Новый механизм сверхпроводимости: спаривание между пространственно разделенными электронами и дырками", ЖЭТФ 71, 738-753 (1976).

31. L. V. Butov, A. Zrenner, G. Abstreiter, G. Bohm, and G. Weimann, "Condensation of indirect excitons in coupled AlGa/GaAs quantum wells", Phys. Rev. Lett. 73, 304-307 (1994).

32. L. V. Butov, A. I. Filin, "Anomalous transprot and luminescence of indirect excitons in AlGa/GaAs coupled AlGa/GaAs quantum wells as evidence for exciton condensation", Phys. Rev. В 58, 1980-2000 (1998).

33. Т. Fukuzava, E. E. Mendez and J. M. Hong, "Phase transition of an exciton system in GaAs coupled quantum wells", Phys. Rev. Lett. 64, 3066-3069 (1990).

34. Т. M. Rice, D. Paquet, K. Ueda, "Two-dimensional electron-hole fluid in a strong perpendicular magnetic field: exciton Bose condensate or maximum density two-dimensional droplet", Phys. Rev. В 32, 52085221 (1985).

35. D. Yoshioka and A. H. MacDonald, "Double quantum well electron-hole systems in strong magnetic field", Journal of The Physical Society of Japan, 59, 4211-4214 (1990).

36. D. Yoshioka and H. Fukuyama, Jornal of The Physical Society of Japan, 25, 713 (1978).

37. Ю. E. Лозовик, И. В. Лернер, ЖЭТФ 80, 1488 (1981).

38. Y. A. Bychkov and Е. I. Rashba, Solid State Commun. 48, 399 (1983).

39. Ю. E. Лозовик, О. Л. Берман, "Фазовые переходы в системе пространственно разделенных электронов и дырок", ЖЭТФ 111, 18791895 (1997).

40. Ю. Е. Лозовик, М. В. Никитков, "Эффекты увлечения в двуслойной системе пространственно-разделенных электронов и эксито-нов", ЖЭТФ 111, 1107-1119 (1997).

41. J. М. Kosterlitz and Thouless, "Ordering, metastability and phase transition in two-dimensional systems", J. Phys.C, 6, 1181-1203 (1973).

42. J. M. Kosterlitz and D. R. Nelson, "Universal jamp in superfluid density of two-dimensional superfluids", Phys. Rev. Lett. 39, 1201-1204 (1977).

43. P. Kneschaurek, A. Kamgar, and J. F. Koch, Phys. Rev. В 14, 1610 (1976).

44. I. V. Kukushkin, K. von Klitzing, and V. B. Timofeev, Phys. Rev. В 40, 7788 (1984).

45. I. V. Kukushkin, K. von Klitzing, K. Plog at al., Phys. Rev. В 40, 4179 (1989).

46. А. Ф. Дите, И. В. Кукушкин, К. фон Клитцинг и др., Письма в ЖЭТФ 54, 393 (1991).

47. А. Ф. Дите, И. В. Кукушкин, К. фон Клитцинг и др., Письма в ЖЭТФ 54, 635 (1991).

48. I. V. Kukushkin, К. von Klitzing, К. Plog at al., Solid State Comm. 70, 1015 (1989).

49. V. I. Falko, "Intersubband relaxation of two-dimensional electron in heterostructures", Phys. Rev. В 47, 13585-13589 (1993).

50. E. D. Siggia and P. C. Kwok, Phys. Rev. В 2, 1024 (1970).

51. A. Harstein, A. B. Fowler and M. Albert, Surf. Sci. 98, 181 (1980).

52. A. Harstein, A. B. Fowler and Т. H. Ning, Surf. Sci. 58, 178 (1976).

53. T. Ando, Journal of The Physical Society of Japan, 43, 1616 (1977).

54. R. E. Prange and T. W. Nee, Phys. Rev. 168, 779 (1968).

55. А. И. Филин, К. фон Клитцинг, И. В. Кукушкин, А. В. Ларионов, "О волновой функции двумерных электронов в параллельном магнитном поле", Письма в ЖЭТФ 61, 684-688 (1995).

56. A.I.Filin, A.V.Larionov, E.S.Borovitskaya, "Intersubband relaxation of 2D-electrons in parallel magnetic field", Semicond. Sci. Technol. 13, 705-708 (1998).

57. В. Б. Тимофеев, А. В. Ларионов, П. С. Дорожкин, М. Байер, А. Форхел, И. Штрака, "Двумерный электронный газ в двойных квантовых ямах с наклоненными зонами", Письма в ЖЭТФ 65, 877-882 (1997).

58. V.B. Timofeev, A.V. Larionov, J. Zeman, G. Martinez, J.J. Hvam, D. Birkedal, K. Soerensen, "Interwell Radiative Recombination of a 2D Electron Gas in Electrically Biase Double Quantum Wells", Eur. Phys. J. В to be published.

59. В. Б. Тимофеев, А. В. Ларионов, Дж. Земан, Г. Мартинез, Дж. Хвам, Д. Биркедал, К. Соеренсен, "Междуямная излучательная рекомбинация двумерного электронного газа в двойных квантовых ямах с напряжением смещения", УФН 168, 117-120 (1998).

60. Y. J. Chen, Е. S. Elman, and С. A. Arimento, Phys. Rev. В 36, 4562 (1987).

61. J. Е. Golub, К. Kash, J. P. Harbison, and L. T. Floretz Phys. Rev. В 41, 8564 (1990).

62. M. N. Islam, R. L. Hillman, D. A. Miller et al., Apll. Phys. Lett. 50, 1098 (1987).

63. U. Merkt, "Cyclotron resonance of localized electron system in magnetic quantum limit", Phys. Rev. Lett. 76, 1134-1137 (1996).