Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН г. Нижний Новгород
Официальные оппоненты:
член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, Р.А. Сурис
доктор физико-математических наук В. А.Волков,
чаровский
-математических наук
Ведущая организация:
Физический институт РАН
Защита диссертации состоится 25 апреля 2002 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д002.098.01 в Институте физики микроструктур РАН (603950, г. Нижний Новгород. ГСП-105)
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики микроструктур РАН.
Диссертация в форме научного доклада разослана 22 марта 2002 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор физико-математических наук К.П.Гайкович
Содержание
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 4
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 11
1. ТУННЕЛЫ1ЫС И ДИПОЛЬНЫЕ МЕЖПОДЗОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДЫРОК
11
1.1. Межподзонное туннелирование дырок в электрическом поле 11
1.2. Туннелирование дырок через гетсробарьер • .14
1.3. Межподзонные дипольиые переходы дырок в квантовых ямах 17
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КВАНТОВЫХ ЯМ И МАССИВОВ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ВОЛЫ'-ФАРАДНЫМ МЕТОДОМ 20
2.1. Вольт-фарадные характеристики контакта Шоттки к структуре с квантовой ямой 21
2.2. Исследование многослойных структур с квантовыми ямами 23
2.3. Структуры с флуктуациями 25
2.4. Исследование глубоких состояний в 6-слое метолом адмиттанс -спектроскопии 27
3. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ, ДРОБОВОЙ ШУМ И ИНВЕРСИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОН НОМ ТРАНСПОРТЕ В МАНОМЕТРОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ С ТУННЕЛЬНО-ПРОЗРАЧНЫМИ БАРЬЕРАМИ 29
3.1. Токовые неустойчивости и дробовой шум в структу ре с одиночным барьером 30
3.2. Отрицательная дифференциальная проводимость М-типа при квазибаллисти-ческом транспорте в структуре с одиночным барьером 32
3.3. Электронный транспорт и дробовой шум в резонансно-туннельном диоде: ооль принципа Паули н кулоновских корреляций 34
4. Инверсия межподэонной населенности в резонансно-туннельном диоде 36 РАЗОГРЕВ НОСИТЕЛЕЙ ТОКА. ИНВЕРСНЫЕ НАСЕЛЕННОСТИ ПОДЗОН ВОЗМОЖНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ СРЕДНЕГО ИК ИЗЛУЧЕНИЯ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ 38
л. Исследование функции распределения горячих дырок 38
3
4.2. Инверсия электронной населенности подзон при латеральном транспорте в
туннельно-связанных квантовых я.мах 41
4.3. Инверсия при межлолинном переносе. Г-Х лазер 44
4.4. Генерация разностной частоты в полупроводниковом лазере с квант овыми ямами 47
5. ЗОННАЯ СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ В ГБТЕРОСТРУКТУ-РАХ СеБі/Се И СсБі/Бі 50
5.1. Спектры электронов и дырок , 50
5.2. Правила отбора для оптических переходов 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации 58
ОБЩАЯ характеристика РАБОТЫ Введение, актуальное и» 1е.мы диссертации
С развитием технологии роста гетероструктур манометровых размеров, появилась необходимость в исследовании их свойств и осмыслении возможностей практического (приборного) применения. Сравнимость характерных размеров таких систем с .длиной волны де-Бройля электронов ведет к важной роли квантовых эффектов во внутрмзонноЙ динамике электронов. Наиболее ярко эти эффекты проявлякэтся в размерном квантовании спектра электрона и туннельном прохождении его через потенциальные барьеры. Кроме того, в таких структурах часто длина свободного пробега оказывается порядка или больше характерных длин структуры, так что появляется возможность баллистического (т.е. без рассеяния) движения электронов. Фактически это означает, что характер электронного движения в такого рода гетсроструктурах может существенно отличаться от того, который имеет место в объемных материалах. Яркими доказательствами тому служит квантовый эффект Холла и квантование проводимости одномерных канатов.
Благодаря квантовым эффектам открываются возможности конструирования систем с необходимыми электронными свойствами и создания на их основе новых твердотельных приборов. К настоящему времени уже созданы резонансно-туннельный диод, каскадный и фонтанный лазеры, фотоприемники на кнан-товых ямах и квантовых точках и другие приборы на манометровых гетерострук-
4
турах. Особенно привлекательны эти системы для создания источников и приемников дальнею и среднего ИК диапазонов, поскольку характерные энергии размерного квантования соответствуют этим диапазонам длин волн. Следует также отметить, что с уменьшением размера прибора уменьшается и время электронного пролета через него и, как правило, возрастает быстродействие. Поэтому на основе гетероструктур можно создавать приборы для работы в терагерцовом диапазоне. Представляется, что к настоящему времени возможности обнаружения новых физических эффектов в низкоразмерных гетероструктурах, и построения на них приборов далеко не исчерпаны и поэтому необходимо дальнейшее исследование физических явлении в них. В частности, представляется перспект ивным исследование возможности создания инвертированных распределений электронов по уровням размерного квантования в квантовых ямах при продольном транспорте в сильных электрических полях и создания на их основе лазера. Одним из направлений настоящей работы является теоретический анализ возможных реализаций этой идеи.
Существенной особенностью нанометровых объектов является зависимое! ь энергетического спектра от характерных размеров. Благодаря этому спектр в каждой структу ре а значительной степени индивидуален, чего нет в объемных материалах. В связи с этим важно уметь эффективно определять энергетические и дру гие электронные характеристики структуры. В настоящее время отсутствует универсальный метод определения электронного спектра в низкоразмерных объектах. Часто используемые меголы но наблюдению межзонных переходов, такие как наблюдение фотолюминесценции или фотопроводимости дают информацию о разностях энергий электронных состояний в валентной зоне и зоне проводимости. Методы наблюдения поглощения между электронными состояниями, такие как наблюдение межподзокного поглощения, дают информацию о разностях энергий электронных уровней внутри одной зоны. Олнако с помощью этих методов невозможно определить глубину залегания электронных и дырочных уровней относительно краев зон широкозонного материала, в котором располагается квантоворазмерный объект или разрыв энергий зон на гетерогранице. Указанные характеристики являются важными, поскольку, например, глубина залегания уровней в квантовой яме часто определяет величину поверхностной электронной концентрации в нелегированной квантовой яме и потенциальный рельеф в ближайшей ее окрестности. В настоящей работе развивается метод ол-
5
ределения этого параметра из измерений малосигнального импеданса барьера Шопгткн к гетероструктуре.
Цель диссертационной работы
Основная цель диссертационной работы исследование квантовых и баллистических эффектов в движении носителей заряда в гетероструктрах с манометровыми размерами. И горая цель - разработка методой определения электронного спектра и других физических характеристик этих структу р.
Научная новизна результатов
- Вычислены вероятности туннельных переходов между зонами легких и тяжелых дырок в однородном электрическом поле и яри ту ннелировании через гете-рооарьер. Найдено, что область импульсного пространства, где вероятность межподзонного туннелирования порядка единицы в электрическом поле, имеет форму гофрированною тора. Показано, что благодаря м ног окапал ьносги процесса туннелирования дырок через гетеробарьер зависимости коэффициентов туннелирования от энергии и квазнимпульса обладают особенностями в области параметров. соответствующих открытию (закрытию) камаза туннелирования, присушим сечениям рассеяния вблизи порога реакций;
-найдены правила отбора для лнпольпых переходов дырок между дырочными подзонами в кванговой яме и исследован эффект деполяризации для поглощения;
-разработан оригинальный метод определения параметров квантовых ям и массивов квантовых точек из измерений малосигнальною импеданса контакта Шотгки к структуре. В основу этого метода положено представление о малости размеров волновых функций электронов в квантовых ямах и квантовых точках по сравнению с характерными размерами областей пространственного заряда; -предложен новый механизм отрицательной дифференциальной проводимости М-типа в тонких гетероструктурах с одним туннельно-прозрачным потенциальным барьером, когда важны баллистические эффекты (заметная часть электронов пролетает от эмиттера до барьера без рассеяния). Причиной появления отрицательной проводимости является уменьшение вероятности испускания оптического фонона при движении электрона от эмиттера до барьера с ростом приложенного напряжения;
-разработан метод исследования функции распределения юрячих носителей заряда в квантовых ямах с помощью измерения модуляции пропускания света;
6
- Київ+380960830922