Квазиландауское магнитопоглощение "ридберговских" состояний экситона в полупроводниках

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
Физико-математические науки
Страниц:
306


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В начале пятидесятых годов было опубликовано сообщение [1] об экспериментальном обнаружении спектра квазичастицы — экситона, возбуждаемого светом в полупроводнике. Описывался спектр поглощения кристалла закиси меди, состоящий из серии узких линий, сбегающихся, аналогично спектральным сериям водородоподобного атома, к границе фотодиссоциации, положение которой соответствовало ширине запрещенной зоны.

Наличие относительно узких линий в спектре вызвало естественное желание наблюдать влияние на них внешних магнитного и электрического полей. В процессе изучения эффекта Зеемана [2] обнаружилось не только расщепление экситонных линий, соответствующих возбужденным состояниям экситона, но и сильный сдвиг центров тяжести зеемановских компонент каждой линии в сторону больших энергий. Высшие члены водородоподобной экситонной серии при увеличении магнитного поля пересекали край диссоциации и проявлялись далее в виде слабых почти эквидистантных максимумов далеко в глубине континуума поглощения на расстояниях больших, чем энергия связи соответствующего экситонного состояния.

Практически одновременно Звердлинг и Лэкс [3] сообщили о наблюдении осцилляций магнитопоглощения в спектре германия, а Бурштейн и Пайкус [4] -в антимониде индия. В этих кристаллах в спектре краевого поглощения тогда еще не обнаруживались признаки экситонной структуры, и наблюдавшееся явление было естественным образом интерпретировано в появившихся вскоре теоретических работах [5, 6] как прямой результат оптических переходов между подзонами Ландау, образовавшимися в С- и V-зонах полупроводника. Таким образом, этот эффект, получивший название осциллирующего магнитопоглощения (ОМП), был поставлен в один ряд с открытым незадолго до этого и интенсивно изучавшимся циклотронным резонансом (ЦР) и начал рассматриваться как основное межзонное магнитооптическое явление в полупроводниках

— тогда как ЦР является основным внутризонным эффектом, в котором участвуют переходы между подзонами Ландау в пределах С- или V-зоны.

Большое многообразие других магнитооптических явлений, таких как эффекты Фарадея, Фохта и т. п. оказалось возможным рассматривать на общей физической базе как следствия оптических переходов в & laquo-основных»- эффектах.

Магнитооптические эффекты в полупроводниках уже со времени предсказания, и открытия циклотронного резонанса оказались главным экспериментальным средством утверждения положений зонной теории полупроводников и точного определения ее характеристических параметров в кристаллах. Открытие ОМП раздвинуло возможности магнитооптики полупроводников, главным образом, в сторону расширения круга материалов и диапазона условий экспериментирования, в которых эффект мог уверенно наблюдаться. Кроме того, анализ ОМП сулил получение дополнительных — по сравнению с циклотронным резонансом — сведений, таких как точные значения энергетических зазоров,-факторов, отклонения от параболического закона дисперсии и т. п.

Естественно, здесь быстро стал накапливаться обширный экспериментальный и теоретический материал. Данные, полученные в результате изучения осциллирующего магнитопоглощения и его интерпретации как результата переходов непосредственно между состояниями свободных носителей в подзонах Ландау, вошли в справочники и составили значительную часть основного фонда наших знаний о величинах характеристических параметров зонной структуры различных полупроводников.

Однако углубление в проблему вскоре вскрыло определенную противоречивость в известной интерпретации этого явления и обнаружило его связь с другим чрезвычайно важным и эффективным явлением в полупроводниках -образованием связанного состояния электронов и дырок-экситонов. Усовершенствование технологии выращивания монокристаллов и развитие техники спектроскопии полупроводников привели к обнаружению экситонных состояний на краю поглощения такого относительно узкозонного полупроводника как германий, а в дальнейшем дискретную структуру экситона Ванье — Мотта удалось наблюдать уже в большинстве известных полупроводниковых кристаллов. По-видимому, наиболее принципиальные результаты здесь были получены в 80-ые годы, когда экситонный край поглощения удалось наблюдать в таких узкозонных полупроводниках, как сурьмянистый индий и теллурид кадмия-ртути при х < 0,2. Более того, в результате наблюдения дифференциального магнитопоглощения в скрещенных электрическом и магнитном полях, удалось показать, что в таком полуметалле, как теллурид свинца, край поглощения в магнитном поле также носит экситонный характер. Таким образом, естественно думать, что экситонная природа края фундаментального поглощения, скорее правило, чем исключение. И хотя не удавалось, например, в алмазоподобных полупроводниках наблюдать столь же развитую экситонную серию, как в закиси меди, тем не менее, нетрудно было убедиться в том, что кулоновское взаимодействие электрона и дырки, рождаемых при поглощении кванта света, является существенным не только в области запрещенной зоны, но и дает значительный вклад в коэффициент поглощения в области сплошного спектра.

Важнейшую роль в дальнейшем развитии рассматриваемой проблемы сыграла теоретическая работа Эллиота и Лудона [7], в которой было показано, что, по сути дела, весь спектр ОМП может оказаться спектром экситона, так как при определенной величине напряженности магнитного поля В, каждая пара взаимодействующих в оптических переходах подзон Ландау становится краем диссоциации экситонной серии, а сила осциллятора для переходов в основное состояние таких экситонов может значительно преобладать над таковой для переходов в несвязанные состояния. Эти теоретические идеи были развиты

• затем Говардом и Хасегавой [8], Жиличем и Монозоном [9], Горьковым и Дзялошинским [10]. Джонсону [11] удается найти одно из принципиально важных свидетельств их справедливости в результате наблюдения структуры, интерпретированной как возбужденное состояние экситонной серии, а Сейсяну с сотрудниками [12] получить ряд весьма надежных доказательств экситонной природы спектра ОМП кристаллов.

Здесь, по-видимому, было бы уместно вспомнить о работе Гросса, Захар-чени и Павинского [2], где первое наблюдение эффекта ОМП в закиси меди описывалось как обнаружение & quot-диамагнитных уровней экситона& quot-. Получение надежных результатов, подтверждающих экситонную концепцию и позволяющих распространить ее на различные полупроводниковые кристаллы и оценить масштаб несоответствия, возникающего с принятой интерпретацией явления, потребовало дальнейшего развития техники спектроскопического исследования и новых теоретических разработок.

Например, многочисленные эксперименты, нацеленные на наблюдение ОМП в GaAs не давали желательных результатов. Эти эксперименты были бедны по своей структуре из-за невысокого — по сегодняшним меркам — качества (ц ~ 1О3 см2/В-с, п~ 1016 см& quot-3) используемых образцов.

Новый импульс развития ОМП в кристаллах связан с успехами технологии приготовления чистых газофазных гомоэпитаксиальных слоев алмазопо-добных полупроводников. Использование образцов арсенида галлия с п < 1014 см'3 и fij7 ~ 105 см/В-с [13, 14] позволило впервые получить уникальные спектры, включающие в себя до 200 максимумов с шириной линии ~ 10'3 эВ при сравнительно слабых магнитных полях (В = 3 7л). Уже предварительный анализ спектров показал, что для объяснения их сложной структуры недостаточно ранее развитых представлений и наряду с влиянием кулоновского взаимодействия в магнитном поле необходимо учитывать возможный вклад ряда других эффектов. Но одним из принципиальных моментов здесь оказалось следующее обстоятельство. Такие спектры наблюдались только в тех образцах, в которых еще до включения магнитного поля уже наблюдались первые возбужденные состояния экситонной серии, принадлежащие главным квантовым числам п = 2 и п = 3, т. е. & laquo-ридберговским»- состояниям экситона.

Полученные на сегодняшний день результаты, по-видимому, не оставляют уже сомнений в том, что практически любые спектры осциллирующего магнитопоглощения по сути являются спектрами особого ряда экситонных состояний, возникающих в полупроводниковых кристаллах при помещении их в магнитное поле. Такие состояния были названы в [15] & quot-Диамагнитными экситонами& quot-. ДЭ радикально модифицируют спектральную форму края фундаментального поглощения полупроводниковых кристаллов, превращая при благоприятных условиях наблюдения монотонные зависимости в линейчатые спектры.

Строго говоря, термин & quot-осциллирующее магнитопоглощение& quot-, применявшийся прежде, не вполне точен, и даже для феноменологического описания он мог бы быть употреблен с достаточным основанием только для спектра ДЭ при больших диамагнитных квантовых числах, когда полуширина линий делается сравнимой с расстоянием между ними.

Спектры ДЭ несут богатую информацию об электронной зонной структуре кристаллов, по многообразию и полноте с одной стороны, и по простоте и ясности интерпретации — с другой, нередко заметно превосходя возможности спектроскопии полупроводников в отсутствие магнитного поля, и — в некотором смысле — соединяя в себе и дополняя возможности таких испытанных методов как циклотронный и парамагнитный резонансы.

Существует, однако, у спектроскопии диамагнитных экситонов существенный недостаток перед циклотронным и парамагнитным резонансами, состоящий в необходимости введения определённой поправки с целью реконструкции не проявляющихся в экспериментальном спектре истинных положений энергий переходов между подзонами Ландау. Эта поправка равна энергии связи соответствующего квазиодномерного экситонного состояния и зависит от напряжённости магнитного поля, всех квантовых чисел этого состояния, а также от приведённой массы, являющейся функцией искомых параметров зонной структуры кристалла. При условии выполнения критерия Эллиота

Лудона (ЭЛ) поправка существенно меньше расстояния между соответствующими подзонами Ландау, и такая задача легко решается итерациями. Однако, количество полупроводниковых кристаллов, для которых критерий ЭЛ полностью выполняется при легко достижимых лабораторных полях, невелико (см. рис. 1). К таковым из известных и широко изучаемых кристаллов относятся только узкозонные полупроводники типа Ge, GaSb, InSb и InAs. В то же самое время большинство наиболее ценных для практики полупроводниковых соединений имеет более широкую запрещенную зону, и выходит, таким образом, из числа кристаллов с надежно выполняемым критерием ЭЛ. К таковым относятся, например, GaAs, InP, CdTe, CdSe, ZnSe, GaN, ZnO, nt говоря уже о Cu20 и Sn02.

Актуальность темы.

К настоящему времени осцилляции магнитопоглощения (ОМП) наблюдались в спектрах поглощения многих полупроводниковых кристаллов. Во всех случаях на основе анализа спектров ОМП удалось получить важные данные о зонной структуре полупроводников. Однако, в большинстве случаев многие детали спектра осцилляций магнитопоглощения остались не интерпретированными, как не укладывающиеся в рамки обычных представлений о & laquo-диамагнитных экситонах& raquo-, образовавшихся в условиях применимости критерия Элиота-Лудона (ЭЛ) [7]: р = hQ. /2R* = (аэкс /L)2 «1, (1) где Q = асц + со& quot- = еВ/ /лс — сумма циклотронных частот электронов и дырок, /л-приведенная масса, R* = e4ju/2h2%g- энергия связи основного состояния экситона, акс — его радиус, L = {cfi/еВ)& quot-2- магнитный радиус и %0 — статическая диэлектрическая проницаемость. Интерпретацию затрудняла также сложная структура зон, принципиально учтенная в случае выполнимости критерия ЭЛ для алмазоподобных полупроводников в [16]. В ряде полупроводников, весьма интенсивно применяемых на практике, например, CdSe, GaN, ZnO, относящихся

0,1 Й3 е2 ' е с ц 2 J 4 5 6 8 10 /

I04 102 10"2 / РВ=10Г = 4,3-Ю'5 2 n 10"3 10'

103 a+

Пс=1

У «'

2'3 i

InP ll? hv afnf2 SnO-

3' и

4,5,6.

-Я lV.

Av

Рис. 1. Ширины запрещенной зоны полупроводников (а), величина приведенного маг нитного поля р, достигаемая в лабораторном магнитном поле В = 10 Тл (б), и магнит ное поле, в котором [i = 1. к гексагональным кристаллам, интерпретация спектров диамагнитного экситона требует определенной модификации известных теорий, не говоря уже о том, что, вследствие невыполнения критерия ЭЛ часть регистрируемого спектра оказывается соответствующей режиму слабого поля, тогда как другая демонстрирует квазиландауское поведение. Это создает уникальную ситуацию: две части магнитооптического спектра требуют применения принципиально различающихся теоретических подходов к их описанию. Особенно актуальны случаи наблюдения межзонных магнитооптических спектров кристаллов, в которых энергия связи экситона и эффективная масса носителей заряда столь велики, что критерий сильного поля (1) в условиях эксперимента практически недостижим. Тем не менее, в кристаллах с ярко выраженными возбужденными состояниями при В = 0 оказывается возможным наблюдение обеих ситуаций, т. е. и образование спектра ОМП, требующая сильного поля (/?> 1), и магнитооптических эффектов слабого поля (/? < 1).

Подобная ситуация схожа с наблюдаемой в спектроскопии ридберговских атомов, получившей развитие в атомной физике и астрофизике. В специальных лабораторных условиях можно наблюдать высоковозбужденные & quot-ридберговские"- состояния в спектрах водорода, а также и в других газообразных материалах. Эти состояния получили название & quot-ридберговских"- [17], так как главное квантовое число в этом случае может достигать гигантских величин (вплоть до п = 500). Высоковозбужденный электрон, находясь на значительном расстоянии от атомного остова, слабо взаимодействует с другими электронами. Таким образом оказывается, что высоковозбужденные состояния любого атома в электрическом или магнитном полях ведут себя почти аналогично атому водорода.

Экситонные явления в полупроводниковых кристаллах также можно рассматривать с позиций ридберговской спектроскопии, т. е. поведение возбужденных состояний экситона может оказаться аналогичным поведению ридберговского атома в соответствующих условиях. При этом высоковозбужденным состояниям атома водорода с п > 30 вполне могут соответствовать & quot-ридберговские"- состояния экситона в полупроводнике с п0 = 2, 3. Здесь и далее используются следующие обозначения квантовых чисел: число Ландау электрона — I и дырки — п- квантовые числа трехмерного экситона -п0, & pound-0,т и диамагнитного экситона — v, L, М.

К числу наиболее трудно разрешимых проблем относится проблема генезиса или соответствия уровней диамагнитного экситона (ДЭ) и экситона Ванье-Мотта, выражения для которых происходят от двух крайних предельных случаев: В& mdash->- оо и В = 0, а также расчет энергии связи экситона, учитывающий ситуацию промежуточного поля.

Разрешив перечисленные проблемы можно надеяться, что спектроскопия & quot-ридберговских"- состояний экситона внесет свою лепту в исследование энергетической зонной структуры полупроводников, уточнение полученных ранее зонных параметров, а также в решение других научных и технических задач.

Основной целью работы является исследование физических процесссов образования межзонных магнитооптических & laquo-осциллирующих»- спектров края поглощения относительно широкозонных полупроводников в случае существования возбужденных (ридберговских) состояний экситона в исходных спектрах без магнитного поля. Так как такие спектры образуются без выполнения условия (критерия) ЭЛ, возникает проблема нахождения и обоснования адекватного метода расчета энергий связи всех состояний диамагнитного экситона, и, затем, после восстановления гипотетического спектра Переходов между подзонами Ландау, установления деталей зонной структуры полупроводниковых кристаллов. Процедура расчета параметров зонной структуры свободных и напряженных кристаллов для такого случая актуальна не только для алмазопо-добных полупроводников, но и — в особенности — для широкозонных гексагональных кристаллов. Выбор материала для исследования диктовался стремлением проверки основных положений на полупроводниковых кристаллах, имеющих наибольшее прикладное и научное значение. Так как нас интересовали фундаментальные свойства, исследование велось на наиболее чистых и совершенных кристаллах из числа изготовленных промышленностью и исследовательскими лабораториями.

Научная новизна и практическая ценность.

Развиты основы спектроскопии диамагнитных экситонов в полупроводниковых кристаллах с экситонными спектрами, включающими возбужденные (ридберговские) состояния. Обоснован метод расчета спектров ОМП в промежуточных полях, выполнены оценки параметров зонной структуры различных полупроводниковых кристаллов, обладающих исходными экситонными спектрами края поглощения, аналогичными магнитооптическим спектрам для ридберговских атомов. Проведен анализ линий, имеющих форму резонан-сов Фано- такие линии, их возникновение и исчезновение, рассматриваются, как и в атомной спектроскопии, с позиций взаимодействия дискретных состояний серии диамагнитного экситона с их континуумом состояний, и дают, таким образом, основания для выводов о переходе ДЭ в квантовых ямах, при усилении магнитного поля, из одномерного состояния в нуль-мерное.

Разработанные методы расчета и анализа спектров ОМП как спектров ДЭ дают возможность вычисления наиболее полных, точных и, в то же время, самосогласованных наборов параметров, характеризующих зонную структуру кристаллов, а также уточнения параметров, полученных прежде из различных межзонных магнитооптических экспериментов.

Практическая ценность настоящей работы состоит в формулировке необходимых экспериментальных условий для прямого наблюдения спектров ДЭ свободных и напряженных образцов, в обнаружении & quot-тонкой"- структуры ДЭ и ее зависимости от температуры и магнитного поля, позволяющих восстановить спектры переходов между подзонами Ландау исследованных кристаллов, включая и зону V3, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием, а также ряд существенных новых научных фактов:

— впервые в алмазоподобных полупроводниках (GaAs, InP, CdTe и др.) обнаружена экситонная серия на краю поглощения при В = 0 и определены ее энергетические параметры-

— в кристаллах с хорошо детектируемым щ& gt-2 состоянием экситона впервые зарегистрированы и исследованы спектры осциллирующего магнитопогло-щения в полях, слабых по отношению к критерию & quot-сильного поля& quot- Р& raquo-1, обоснован новый метод расчета и установлено, что полевая граница наблюдения эффекта характерна для спектроскопии & quot-ридберговских"- атомов водорода с п ~ 30-

— определена роль экситон-фононного взаимодействия в формировании спектров диамагнитного экситона в кристаллах А2В6-

— в спектрах контролируемо деформированных кристаллов GaAs, CdTe зарегистрированы спектры ДЭ, образованные & quot-ридберговскими"- состояниями экситона Ванье-Мотта, при этом положения максимумов в зависимости от магнитного поля сходятся при В = 0 к двум положениям Е*, соответствующим расщеплению валентной зоны, серии включают в себя возбужденные состояния, водородоподобны и позволяют независимо и точно установить энергию связи экситона-

— определен способ разделения вкладов состава и различных по источникам видов напряжений в оптические свойства Ini. xGaxAs вблизи края поглощения и получены зависимости от состава и напряжений для Е& plusmn- и эффективной массы электрона-

— обнаружено уширение экситонного максимума поглощения в магнитном поле и впервые для твердых растворов системы А3В5 надежно доказана существенность экситонной локализации на флуктуациях потенциала, а также получены важные данные для понимания механизма фотолюминесценции в Ini. xGaxAs.

Правильное понимание природы квазиландауского магнитопоглощения & quot-ридберговских"- состояний экситона в полупроводниках позволяет не только усовершенствовать методы спектроскопического исследования, но и высказать предположение о возможности прикладных реализаций изучаемого явления в интегральной оптике и экспериментальной физике.

Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и списка используемой литературы.

Основные результаты, проведенных нами исследований, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Подготовлена и налажена экспериментальная аппаратура, позволявшая проведение опытов в диапазоне 0,6−2,5 эВ с разрешением по энергии не хуже Ае = 3 -10~5 эВ в магнитных полях до 8 Тл и температурах вплоть до 1,8 К.

2. Разработана специальная методика изготовления (путем механической, термической и химической обработки) сверхтонких (до 0,5 мкм), свободных от механических напряжений и контролируемо деформированных, монокристаллических образцов. Рассмотрено влияние остаточных механических напряжений на спектры экситонного и магнитооптического поглощения в & laquo-свободных»- тонких образцах, не подвергнутых термической обработке. Положение экситонных максимумов в таких образцах испытывает значительную нестабильность в зависимости от толщины образца. Помимо общего сдвига спектра в сторону меньших энергий в напряженном образце наблюдается также и значительное уширение максимумов ОМП.

3. Исследование тонких сверхчистых кристаллов GaAs, InP, CdTe, которые были подвергнуты отжигу и травлению с целью освобождения их от внутренних механических напряжений, позволило наблюдать при температуре жидкого гелия развитую экситонную структуру края поглощения, включающая в себя основное (п0 = 1) и возбужденные (п0& gt-2) состояния экситона Ванье-Мотта, экситон-примесные комплексы (ЭПК) и ряд других особенностей при Е > Eg. В результате установлены основные энергетические параметры серии свободного экситона, учитывающие отклонение от водо-родоподобности, энергии связи основного и возбужденных состояний и ширины запрещенной зоны, которые могут рассматриваться как наиболее достоверные из известных литературных данных.

Линии основного состояния экситона п0 = 1 при комнатной температуре и линии возбужденных состояний экситонов п0 — 2, 3 при низких температурах наблюдались нами впервые.

4. Исследовано температурное уширение дискретного 1S состояния экситона от 2 до 300 К и показано, что экситон в GaAs, InP, CdTe имеет дискретный спектр вплоть до комнатной температуры, а его разрушение при повышении Т происходит за счет взаимодействия с Ю-фононом- впервые получены константы этого взаимодействия.

Установлена природа максимума Ек на фоне сплошного спектра CdTe при 1,6165 эВ, отстоящего от основного состояния экситона на энергию Ю-фонона. Вопреки известной интерпретации, за него ответственен не ЭФК Тоязавы, а представляет собой оптический переход с излучением Ю-фонона в максимум плотности состояний в экситонной зоне.

5. В магнитных полях, существенно меньших, чем это требует критерий сильного поля ЭЛ /3^> 1, в образцах, спектры которых при В = 0 включают в себя возбужденные состояния п& gt-2, впервые наблюдалось возникновение осциллирующего поглощения при В «0,5- 1,0- 1,5- Тл в InP, GaAs, CdTe соответственно. Наблюдаемые в максимальном поле В = 7,5 Тл, спектры по & laquo-богатству»- узкими и интенсивными линиями не имеют аналога в практике экспериментального исследования ОМП в кристаллах и носят черты, характерные для спектроскопии & laquo-ридберговских»- состояний атомов и молекул, которая показала возможность обнаружения эффектов сильного поля в относительно слабых полях, при условии наблюдения оптических переходов с большим квантовым числом п.

Осуществлено исследование зарождения (генезиса) спектра ДЭ InP и CdTe в & laquo-промежуточных»- магнитных полях (/?< /), построены соответствующие веерные диаграммы, которые позволяют оценить степень соответствия квантовых чисел 3D и 1D систем. Осциллирующая структура возникает, когда наивысшие возбужденные состояния пересекают соответствующие уровни континуума. Линии расщепляются в области пересечения: ниже края диссоциации, соответственно разрешенным переходам между подзонами Ландау, остаются линии возбужденных состояний предыдущих (?*-!) ДЭ серий- выше — основные состояния ДЭ, принадлежащие /-уровню.

Состояние п0 = 1 практически во всем диапазоне применявшихся полей, а п0 = 2 в достаточно широком интервале, ведут себя как 3D состояния. Исследован диамагнитный сдвиг и эффект Зеемана основного и возбужденного состояния экситона GaAs и CdTe. Построенные зависимости энергетического положения 1S и 2S от квадрата напряженности магнитного поля позволили определить диамагнитные сдвиги, удовлетворительно согласующиеся с теоретическим расчетом, учитывающим особенности этих эффектов в алмазоподобных полупроводниках.

Впервые наблюдались серии диамагнитного экситона в GaAs, InP, CdTe, включающие в себя возбужденные v = l, 2 состояния. Обоснована справедливость для Р < 1 расчетов энергии связи основного состояния диамагнитного экситона, основанных на адиабатическом разделении переменных и решении одномерного уравнения для ДЭ вариационным методом. Самосогласованный набор зонных параметров устанавливается путем восстановления энергетических положений для переходов между подзонами Ландау сдвигом к высоким энергиям от экспериментальных положений максимумов на величину соответствующих энергий связи диамагнитного экситона. Этот прием может быть распространен далее на широкий класс широкозонных материалов.

Проведен анализ некоторых максимумов в спектрах магнитопоглощения GaAs, имеющие необычную форму. Необычной является резкая оборван-ность линии с коротковолновой стороны с ее значительным углублением в фоновое поглощение, а также затянутый & laquo-хвост»- с длинноволновой стороны. Возникновение и исчезновение таких линий рассматриваются, как и в атомной спектроскопии, с позиций взаимодействия дискретных состояний серии диамагнитного экситона с их континуумом состояний.

Обработка спектральных линий в рамках феноменологической модели эффекта Фано позволяет уточнить положения и оценить полуширину максимумов.

На наиболее тонких (d = 1−2 мкм) образцах впервые наблюдались переходы из зоны У3, позволяющие установить величину спин-орбитального расщепления Ада, равную 0,346 — 0,1097 — 0,953 эВ для GaAs, InP, CdTe соответственно. Наклон зависимости и спектральные положения линий при максимальном поле В позволяет вычислить эффективные массы и g-факторы отщепленной зоны, уточнить параметры модели зон и правильно учесть влияние высших зон проводимости.

Применение метода & laquo-квазициклотронных»- масс позволило осуществить прямое вычисление масс электрона и дырок и коэффициента непараболич-ности электронных зон. Полученные значения, в частности, для CdTe заметно ниже известных из литературных данных. Относительно сильное экситон-фононное взаимодействие в этом кристалле для описания низкочастотных эффектов требует введения поляронных поправок. Коррекция на экси-тон-фононное взаимодействие, необходимая для сравнения данных ОМП с данными ЦР, отражающими поляронную массу, не дает достаточной поправки для полного согласования масс. Исследование веерных диаграмм показывает ряд новых явлений, связанных с экситон-фононным взаимодействием, в том числе подобных эффекту Джонсона-Ларсена. Полный и адекватный расчет спектров ДЭ в CdTe требует учета экситон-фононного взаимодействия уже при построении системы переходов между подзонами Ландау V- и С-зоны.

12. Предложен способ определения действующих деформационных напряжений в эпитаксиальных слоях In, xGaxAs / InP по величине энергетического расщепления экситонного максимума поглощения п0 = 1. Магнитооптическое исследование In, xGaxAs в напряженном и свободном состояниях позволило установить зависимости эффективных масс электрона от напряжений, состава и рассогласования решеток слоя и подложки, а также рассчитать полный набор зонных параметров, точно привязанный к составу и деформации слоя.

13. Исследовано поведение максимумов низкотемпературной краевой люминесценции напряженных и свободных слоев In, xGaxAs в магнитном поле и установлено, что уширение линий связано с локализацией экситона на не-однородностях потенциала по модели донороподобного атома. Эти исследования обосновывают новую методику установления влияния флуктуаций состава на фундаментальные свойства твердого раствора при помощи сильного магнитного поля, и позволяют правильно оценить масштаб их влияния на оптические и люминесцентные явления в А3В5.

14. В эпитаксиальных слоях GaAs подвергнутых однородной изотропной деформации сжатия и растяжения е& lt-0,1% в кристаллических плоскостях

100) и (111), обнаружено дуплетное расщепление прямого экситонного перехода Г~25 -> rj5. Полученные при этом константы деформационного потенциала (Dd -Dvd) = (-8,2 & plusmn-0,5)эВ, D'" = (5,7 & plusmn-0,2)эВ хорошо согласуются с известными литературными данными. На краю поглощения тонких (d~ 1 мкм) GaAs и CdTe, в условиях слабой (Де

Таким образом, выполнены фундаментальные исследования, в которых наблюдались целый ряд деталей спектра поглощения при низких и высоких температурах, в магнитном поле и без поля, с деформацией и без деформации, которые позволяют предложить наиболее современное и точное описание зонной модели и спектра экситонных состояний алмазоподобных полупроводников. Наконец, значение некоторых методических решений, использованных в работе, выходит за рамки конкретной, изучавшейся в настоящей работе задачи- они могут быть с успехом использованы при исследовании других полупроводниковых материалов и гетеросистем, а спектры ДЭ образованные & laquo-ридберговскими»- состояниями экситонов можно рассматривать как наиболее общий случай межзонной магнитоспектроскопии полупроводников.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность профессору, доктору физико-математических наук, академику РАЕН Рубену Павловичу Сейсяну за научное руководство и постоянное внимание и поддержку в течение многих лет.

Автор искренне благодарен к. ф. -м. н. С. И. Кохановскому за помощь в проведении экспериментов и дружеское участие при разрешении многочисленных проблем, М. Р. Рымалис, 3. С. Кутузовой и студентам И. С. Панкратову, А. А. Шорохову за помощь в оформлении диссертации.

Заключение.

Проведен наиболее полный магнитооптический эксперимент на алмазо-подобных кристаллах GaAs, InP, CdTe и сделан анализ его результатов с современных позиций, учитывающий весь накопленный опыт, полученный при изучении других относительно широкозонных полупроводников, а также позиций спектроскопии ридберговских состояний атомов в соответствующих условиях.

Исследования позволили установить и наблюдать целый ряд новых деталей края фундаментального поглощения, а разработанные методы расчета спектров ОМП как спектров ДЭ дают возможность вычисления наиболее полных, точных и, в то же время, самосогласованных наборов параметров, характеризующих зонную структуру кристаллов.

ПоказатьСвернуть

Содержание

Глава I Межзонная магнитооптика полупроводников как спектроскопия диамагнитных экситонов. Критерий сильного магнитного поля.

1.1. Осцилляции магнитопоглощения кристаллов и уровни Ландау.

1.2. Экситон и атом водорода в магнитном поле.

1.3. Экситон в сильном магнитном поле для & laquo-простого»- полупроводника: диамагнитный экситон.

1.4. Возгорание экситонного поглощения в магнитном поле

Глава П Физика & laquo-ридберговских»- атомов и молекул.

Возбужденные состояния экситонов Ванье-Мотта как & laquo-ридберговские»- состояния.

2.1. Ридберговские состояния атомов и молекул.

2.2. Ридберговские атомы в сильных полях.

2.3. Возбужденные состояния экситонов Ванье-Мотта как & laquo-ридберговские»- состояния.

Глава III Образование & laquo-квазиландауских»- спектров осциллирующего магнитопоглощения при наличии возбуяеденных состояний экситона. Критерий сильного поля для & laquo-ридберговских»- состояний.

3.1. Диамагнитные экситоны в полупроводниках, для которых критерий сильного поля выполняется.

3.2. Образование & laquo-квазиландауских»- спектров при наличии возбужденных состояний экситона.

3.3. Образование спектров осциллирующего магнитопоглощения в кристаллах, не удовлетворяющих критерию сильного поля.

Глава IV Квази-одномерность состояний диамагнитного экситона, образованных & laquo-ридберговскими»- состояниями экситона Ванье-Мотта. Эффект Фано.

4.1. Квази-одномерность состояний диамагнитного экситона

4.2. Эффект Фано в осциллирующем магнитопоглощении полупроводниковых кристаллов.

Глава V Проблема & laquo-промежуточных»- полей. Генезис состояний

ДЭ, связь с состояниями нулевого поля.

Ф 5.1. Диамагнитные экситоны в промежуточных полях.

5.2. Эффект Зеемана и диамагнитный сдвиг экситона Ванье-Мотта в кубических кристаллах.

5.3. Генезис состояний диамагнитного экситона и их связь с состояниями нулевого поля.

Глава VI Техника экспериментального исследования.

6.1. Изготовление тонких кристаллов, свободных от механических напряжений. Эффекты, связанные с малой толщиной образцов.

6.2. Экспериментальная аппаратура, создание магнитных полей и их измерение, охлаждение кристаллов до низких температур.

6.3. Методика обработки результатов эксперимента. Вычис ление энергий связи, & laquo-подгонка»- параметров на ЭВМ.

Глава VII Спектры Д Э, образованных & laquo-ридберговскими»- состояниями экситонов в алмазоподобных полупроводниках.

7.1. Диамагнитный экситон в полупроводниках с вырожденной валентной зоной.

7.2. Диамагнитные экситоны в кристаллах арсенида галлия

7.3. Оптические и магнитооптические спектры края поглощения InP и расчет зонных параметров.

7.4. Диамагнитные экситоны в кристаллах теллурида кадмия

Глава VIII Спектры Д Э, образованных & laquo-ридберговскими»- состояниями экситона в полупроводниковых твердых растворах InGaAs.

8.1. Влияние ростовых деформаций на край поглощения эпитаксиальных слоев InGaAs/lnP.

8.2. Влияние магнитного поля на спектр диамагнитных экситонов в твердых растворах.

8.3. Осциллирующее магнитопоглощение в эпитаксиальных слоях Ini. xGaxAs и расчет зонных параметров.

Глава IX Спектры Д Э, образованных & laquo-ридберговскими»- состояниями экситона, в деформированных алмазоподобных полупроводниках. GaAs, CdTe на стекле

9.1. Влияние деформаций на спектры экситонного поглощения в алмазоподобных полупроводниках.

9.2. Влияние механических напряжений на спектры экситонного и магнитооптического поглощения кристаллов арсенида галлия.

9.3. Оптические и магнитооптические спектры поглощения упругонапряженного теллурида кадмия.

Список литературы

1. Гросс Е. Ф., Каррыев Н. А. Поглощение света кристаллом закиси меди в инфракрасной и видимой части спектра. ДАН СССР, 1952, т. 84, № 2, с. 261 -264.

2. Гросс Е. Ф., Захарченя Б. П., Павинский П. П. Диамагнитные уровни экситона в кристаллах закиси меди. ЖТФ, 1957, т. 27, с. 2177.

3. Zwerdling S., Lax В. Oscillatory magneto absorption of the direct transition in Germanium. Phys. Rev., 1957, v. 106, p. 51.

4. Burshtein E., Picus G.S. Interband magnetooptic effects in semiconductors. Phys. Rev. 1957, v. 105, p. 1123−1125.

5. Roth L.M., Lax B. and, Zwerdling S. Theory of optical magneto-absorption effects in semiconductors. Phys. Rev. 1959, v. 114, № 1, p. 90−104.

6. Burstein E., Picus G. S, Wallis В., and Blatt F. Zeeman type magnetooptic studies of interband transitions in semiconductors. Phys. Rev. 1959,114,15.

7. Elliott R.J. Loudon R.- Theory of fine structure on the absorption edge in semiconductors. J. Phys. Chem. Sol. 1959, v. 8, N2, p. 382−388.

8. Hasegava H., Howard R.E. Optical absorption spectrum of hydrogenic atoms in a strong magnetic field. J. Phys. Chem. Sol. 1961, v. 21, N1, p. 179−199.

9. Жилич А. Г., Монозон Б. С. Квазиклассическое рассмотрение спектра во-дородоподобной системы в сильном магнитном поле. ФТТ. 1966, т. 8, в. 12, с. 3559−3566. Вест. ЛГУ, 1965, т. 16, с. 26−33.

10. Горьков Л. П., Дзялошинский И. Е. К теории экситона Мотта в сильном магнитном поле. ЖЭТФ, 1967, т. 53, с. 717−722.

11. Johnson E.J. Observation of exciton fine structure in the interband magnetoab-sorption of InSb and germanium. Phys. Rev. Lett 1967, v. 19, p. 352.

12. Сейсян Р. П. Осцилляции магнитопоглощения и экситоны в кристаллах германия. Автореферат канд. дисс. Л. ФТИ. 1969.

13. Абдуллаев М. А. Осциллирующее поглощение кристаллов арсенида галлия в магнитном поле. Авторефер. кандид. диссер. JI. ФТИ. 1974.

14. Сейсян Р. П. Спектроскопия диамагнитных экситонов. М., Наука, 1984, с. 274.

15. Захарченя Б. П., Сейсян Р. П. Диамагнитные экситоны в полупроводниках. УФН. 1969, т. 97. в. 2, с. 194−210.

16. Гельмонт Б. Л., Сейсян Р. П., Эфрос Ал. Л., Варфоломеев А. В. Диамагнитные экситоны в полупроводниках с вырожденной ватентной зоной и осциллирующее поглощение присталлов GaSb в магнитном поле. ФТП, 1977, т. И, с. 238.

17. Далгарно А. Спектроскопия ридберговских состояний. М., 1985, с. 365.

18. Коровин Л. И., Харитонов Е. В. Теория формы линий междузонного маг-нетооптического поглощения в случае упругого рассеяния. ФТТ, 1965, т. 7, 2162. К теории междузонного магнитооптического поглощения в случае рассеяния на примесях. ФТТ, 1966, т. 8,181−186.

19. Москаленко С. П., Толпыго К. Б. Об энергетическом спектре экситона Мотта в ионных кристаллах. ЖТЭФ, 1959, т. 36, с. 149.

20. Нокс Р. С. Теория экситонов. М. Мир. 1966, с. 219.

21. Loudon R.R. The absorption edge spectra of semiconductors in a strong magnetic field. Amer. J. Phys. 1959, v. 27, p. 649−664.

22. Vrehen Q.H.F. Interband magneto-optical absorption in callium arsenide. J. Phys.a. Chem. Solids, 1968, v. 29. p. 129

23. Сейсян Р. П., Варфоломеев А. В. и Захарченя Б. П. Интенсивность магнитопоглощения и & laquo-возгорание»- экситонного поглощения в германии. ФТП, 1968, т. 2, в. 9, с. 1276−1280.

24. Дьяконов М. И., Митчел Д. Л. и Эфрос А. Л. О возгорании экситонных линий в сильном магнитном поле. ФТТ, 1968, т. 10, вып. 8, с. 2561−2563.

25. Sturge M.D. Optical. Absorption of Gallium Arsenide between 0,6 and 2,75 eV. Phys. Rev. 1962, v. 127, p. 768.

26. Канская JI.M., Кохановский С. И., Сейсян Р. П. Обнаружение экситонной структуры края поглощения кристаллов сурьмянистого индия. ФТП, 1979, т. 13, с. 2424.

27. Ivanov-Omskii V.I., Kochanovskii S.I., Seysyan R.P., et al. On the possibility of fbare-UP of discrete exciton absorption structure in n-CdxHgi. xTe crystals in A magnetic field. Sol. State. Commun. 1983, v. 46. p. 25.

28. Smith H.A. Larson H.P., Fink U. Molecular Hudrogen and the 2 micron spectrum of № GC 7027. Astrophys. J. 1981, v. 244, p. 835.

29. Garton W.R.S., Tomkins F.S. Diamagnetic Zeeman effect and magnetic configuration mixing in long spectral series of Bal. Astrophys. J. 1969, v. 158, p. 839.

30. Клеппнер Д., Литтман Мю, Циммерман М. Ридберговские атомы в сильных полях. М. 1985. 365 с.

31. Park D. Relation Between the Parabolic and Spherical Eigenfunctions of Hydrogen. Zs. Phys. 1960, v. 159. p. 166.

32. Zimmerman M.L., Kash M.M., Kleppner D. Evidence of an Approximate Symmetry of Hydrogen in a Uniform Magnetic Field, Phys. Rev. Lett. 1980, v. 45, p. 1092.

33. Соловьев E.A. Атом водорода в слабом магнитном поле. ЖЭТФ, 1982, т. 82, вып. 6, с. 1762−1771.

34. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. Н. Серия & laquo-Теоретическая физика& raquo-. Том Ш. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. Изд. 3-е перераб. и дополн. при участии Л. П. Питаевского. М. Наука, 1974.

35. Cohen-Tannoudji С., Diu В., Laloe F. Quantum Mechanics. NY. Willey, 1977.

36. Shiff L.I., Snyder H. Theory of the Quadratic Zeeman Effect. Phys. Rev. 1939, v. 55, p. 59−63. 37

Заполнить форму текущей работой