Гетероструктуры на основе халькогенидов европия и свинца

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................................3
Г лава 1. Обзор литературы...........................................15
1.1. Зонная структура и экситонный ферромагнетизм Ей 8.................15
1.2. Электронные состояния и проводимость в РЬ8........................28
1.3. Экситоны в системах пониженной размерности........................35
1.4. Обзор современных теоретических методов расчета в квантовой теории полупроводников..................................................43
1.4.1. Особенности метода огибающей функции в сверхрешетках............43
1.4.2. Вариационный метод в задачах физики твердого тела...............50
Глава 2. Анализ гетероперехода РЬБ-ЕиБ.................................54
2.1. Построение энергетической диаграммы гетероперехода РЬ8-Еи8 54
2.2. Влияние ферромагнитного порядка на энергетическую диаграмму гетероперехода РЬЗ-ЕиБ...........................................59
Глава 3. Расчет энергетического спектра (минизонной структуры)
сверхрешетки РЬ8-Еи8.............................................66
3.1. Расчет энергетического спектра сверхрешетки РЬ8-Еи8 в рамках метода огибающей функции в приближении эффективной массы............................................................66
3.2. Расчет минизонной структуры «закрытых квантовых ям» в сверхрешетке РЬБ-ЕиЗ.............................................81
Глава 4. Экситоны в сверхрешетках РЬ8-Еи8..............................86
4.1. Прямые и межъямные экситоны в сверхрешетках РЬ8-Еи8...............86
4.2. О конденсации экситонного газа в сверхрешетках на основе халькогенидов европия и свинца...................................95
Заключение.............................................................99
Основные выводы.......................................................104
Библиографический список использованной литературы....................107
3
Введение
Последнее десятилетие развития физики полупроводников характеризуется тем, что основными объектами исследования становятся не массивные кристаллы, а гетеросистемы. В них, изменяя размерность и регулируя величину квантового ограничения гетероструктуры, можно радикальным образом изменять энергетический спектр системы. Появился даже термин «зонная инженерия» для обозначения попытки искусственного синтезирования новых материалов с заданными магнитными, оптическими и проводящими свойствами [1].
Специфические электронные свойства низкоразмерных систем открывают широкую перспективу для создания на их основе новых типов полупроводниковых приборов, таких как лазеры на квантовых ямах и квантовых точках, оптические модуляторы, фотоприемники, лавинные фотодиоды, транзисторы с высокой подвижностью носителей и др. Поэтому полупроводниковые гетероструктуры сегодня являются предметом изучения большинства исследовательских групп, работающих в данной области [2].
Изготовление квантово-размерных структур требует создания полупроводниковых гетеропереходов с необходимыми свойствами. Для этого прежде всего нужно найти подходящую пару материалов. В работе [3] обосновывалась необходимость подбора гетероструктуры для создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей и хорошо согласующимися постоянными решетками, расхождение которых не должно превышать 0,5%. При данных условиях рассеяние связанное с примесями и дислокациями практически отсутствует и отражение от гетерограницы будет «зеркальным», что будет способствовать сохранению когерентности потока и не влиять на длину свободного пробега электрона.
Первые «идеальные» гетеропереходы для различных полупроводников были приведены в патенте Г. Кремера [4]. Примерно в тоже время была составлена «карта мира» гетероструктур с «идеальным» решеточным
4
согласованием. При этом исследуемые в данной работе материалы в нее не вошли, однако попытки создать и использовать для получения экситонного газа гетеросистему на основе халькогенида свинца и европия уже предпринимались, но не были исследованы теоретически, что и будет проделано в данной работе.
Ферромагнитный моносульфид европия и парамагнитный моносульфид свинца характеризуются простыми кристаллическими структурами (типа №С1), рассогласованием постоянных решеток менее 0,17% и общим анионом 8, что, как говорилось выше, является необходимым при создании «идеальных» гетероструктур. Обладая большой разницей ширин запрещенных зон, данные материалы реализуют на гетеропереходе скачек дна зоны проводимости порядка 2,9 эВ, что позволяет в гетеросистемах на их основе создавать глубокие квантовые ямы. Поэтому уже сейчас с большой долей уверенности можно сказать, что указанные системы будут использоваться в каскадных лазерах, в которых излучение возникает в результате внутризонных переходов электронов между уровнями квантовых ям [5-7], фотоприемниках далекого инфракрасного излучения, работающих на эффекте фотопроводимости, обусловленной фотопереходами электронов из квантовых ям сверхрешетки в непрерывный спектр [8], детекторах, транзисторах и эмиттерах ИК-диапазона.
Интерес к халькогениду европия впервые возник в связи с открытием в нем ферромагнетизма в 60-х годах XX века. Более того, Еи8 обладает полупроводниковой проводимостью зонного типа. При низких температурах локализованные магнитные ионы Еи2+ обладают полностью ферромагнитно упорядоченной структурой, что приводит к спиновой поляризации носителей тока.
Из экспериментов по рентгеноструктурному анализу была установлена пространственная группа симметрии и тип кристаллической решетки. В то же время рядом исследовательских групп была определена зонная структура ЕиБ. Основные параметры зонной структуры (ширина £-зоны, величина
5
запрещенной зоны и зоны проводимости) получены из теоретических расчетов [9]. В дальнейшем были измерены основные магнитные параметры этого полупроводника [10].
Возможность повышения температуры Кюри при сохранении полупроводниковых свойств сульфида европия была показана на примере твердых растворов типа Еи|.х8шх8, наличие в которых ионов самария должно было, либо уменьшить энергию перехода 4?—> 4165с1, либо образовать магнитные примесные состояния [11]. Оба процесса должны были привести к увеличению эффективного обменного взаимодействия. С целью проверки этих предположений исследовались магнитные, оптические, электрические свойства и рентгеновские спектры таких растворов. В результате были получены зависимости парамагнитной и ферромагнитной температур Кюри, а также постоянной кристаллической решетки и величины края поглощения от состава х. Обнаружена вероятность увеличения обменного взаимодействия и, соответственно, температуры Кюри моносульфида европия при сохранении его полупроводниковой проводимости. Здесь же было определено, что в отличие от других редкоземельных элементов ионы самария и европия могут существовать и в двухвалентном состоянии.
Для объяснения природы обменного взаимодействия были синтезированы и исследованы твердые растворы с примесью калия, кальция, стронция, гадолиния и т.д. И следующий ряд работ посвящался исследованию влияния изменения межзонного расстояния и катионного разбавления на температуру Кюри, повышение которой остается одной из важных проблем физики магнитных полупроводников [12-17].
Полупроводниковые свойства соединений халькогенидов свинца известны более ста лет, а интенсивные исследования их физических свойств начались фактически к середине шестидесятых годов. Были изучены их электрические, оптические, термоэлектрические, фотоэлектрические, тепловые и магнитные свойства [18,19].
6
Соли свинца обладают рядом свойств, которые давно привлекали к ним внимание: высокие значения диэлектрической проницаемости, большие подвижности носителей заряда и относительно узкие запрещенные зоны.
В 1865 г. экспериментально наблюдали термо-э.д.с. в естественных кристаллах РЬБ, причем термо-э.д.с. имела различный знак в зависимости от образца, что соответствует электронной и дырочной проводимости в полупроводнике.
Выпрямляющее действие контакта металла с РЬБ было обнаружено 1874 г. и использовалось на ранних стадиях развития радиотехники [21]. Искусственные монокристаллы моносульфида свинца впервые удалось вырастить методом Бриджмена в 1951г., что способствовало детальному изучению зонной структуры.
Исследования края собственного поглощения света показали, что при комнатной температуре запрещенная зона сульфида свинца составляет 0,3-0,4 эВ [20]. Изучение магнетооптического поглощения вблизи края собственного поглощения дало с большой точностью значение ширины запрещенной зоны РЬ5 при низких температурах [21].
Согласно расчетам зонной структуры моносульфида свинца [22] химическая связь кубических халькогенидов свинца состоит в основном из р-орбиталей (из-за сильных релятивистских поправок образуются глубокие полностью заполненные зоны из Б-электронов, которые дают малый вклад в образование химической связи). Такие р-связи являются ненасыщенными и носят резонансный характер. Подобный характер химической связи определяет ее высокую электронную поляризуемость и является причиной большого значения статической диэлектрической проницаемости (8=195).
Несмотря на то, что, как показано выше, халькогениды свинца и европия достаточно хорошо изучены, упоминаний в литературе о создании на их основе сверхрешеток и гетероперехода практически не встречается. Имеются только экспериментальные данные по люминесценции тонких пленок сульфида свинца и сверхрешеток РЬБ-ЕиБ. Нет так же достоверных
7
сведений, которые давали бы ответ на вопрос о расположении уровня Ферми в халькогениде европия, что значительно осложняет даже качественный анализ процессов, протекающих в гетеросистемах, созданных на их основе.
В настоящее время ведутся активные экспериментальные исследования ферромагнитных полупроводниковых структур, особенностью которых является возможность управления их электрическими, магнитными, оптическими, магнитооптическими, частотными характеристиками с помощью внешнего электрического или магнитного полей, дающих дополнительную «степень свободы», что не всегда допустимо для гетероструктур на базе немагнитных полупроводников [27]. Очевидным возможным практическим применением описанных эффектов является создание нового поколения узкополосных устройств твердотельной электроники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов -генераторов, усилителей, фильтров и др. приборов, модулируемых и перестраиваемых по частоте магнитным полем.
Еще одной особенностью привлекающей внимание исследователей является спиновая поляризация электронного транспорта в структурах с ферромагнитными полупроводниками. Так, в 2000-м году журнал «Physics World» опубликовал наиболее перспективные и актуальные проблемы исследования в физике, в числе которых - исследования в физике полупроводников, связанные с возможностью переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнитного материала в парамагнетик.
В 60-е годы XX века Л. Эсаки и др. в экспериментах по туннелированию куперовских пар сквозь ферромагнитный барьер наблюдали туннельный ток между двумя нормальными металлами, разделенным магнитным полупроводником EuS [28]. Практически, это были первые наблюдения спин-поляризованного туннельного тока.
С развитием нового направления в микроэлектронике - спинтроники, вновь обратились к ферромагнитным полупроводникам, в связи с
8
возможностью осуществления спинового токопереноса в устройствах электроники на его основе.
Спинтроника - новая ветвь электроники, когда спин электрона наряду с его зарядом представляет собой активный элемент как для хранения, так и для передачи информации [29]. Ее главной задачей является интеграция магнитных систем в полупроводниковую электронику. Полагают, что новые типы датчиков и микропроцесоров можно создать на основе спина, поскольку электронным спином в полупроводнике легко управлять. Спиновые устройства могли бы выполнять ряд вычислений более эффективно и с меньшей затратой энергии, чем их зарядовые аналоги. Высокое быстродействие устройств спинтроники достигается за счет того, что здесь не обязательно перемещать в пространстве заряд и связанную с ним массу. Для переключения состояния достаточно лишь развернуть спин в обратном направлении.
Определенную трудность представляет создание в полупроводнике магнитно-поляризованного электронного кластера. В первых экспериментах для этой цели использовался сложный метод инжекции спин-поляризованных электронов в двумерную квантовую яму с помощью лазерного импульса [30]. В настоящее время внедряется методика инжектирования в полупроводник поляризованных электронов с помощью квантовых магнитных туннельных переходов. В таких переходах электроны туннелируют управляемым образом между двумя ферромагнитными слоями. Подобные туннельные переходы исследуются в связи с разработками новых типов электронной памяти - MRAM (magnetic random access memory). Каждый переход может хранить один бит информации, что позволяет создавать электронную полупроводниковую память нового типа с высокой скоростью записи и чтения, а также с высокой плотностью записи. Такая память обеспечивает сохранение информации при отключении питания (поскольку в основе метода лежит не заряд, а магнетизм) и к тому же не требует регенерации в процессе работы.
9
Таким образом, системы ферромагнитный - парамагнитный полупроводник являются перспективными в данном направлении, так как при туннелировании сквозь ферромагнитный полупроводник степень спиновой поляризации носителей тока достигает практически 100% [32]. Получить высокую степень поляризации электронов удалось авторам [33, 34] при использовании в качестве ферромагнитного материала сульфида европия.
Итак, в качестве материалов для создания устройств спиновой информатики можно рассматривать сверхрешетки на основе халькогенидов свинца и европия, которые будут изучаться в данной работе.
Анализ литературных данных показывает, что в гетероструктурах на основе ферромагнитных полупроводников еще практически не исследовались процессы происходящие в приповерхностной области гетерограницы и оптические свойства, связанные с образованием в них экситонов. Между тем, спиновая инжекция поляризованных электронов из ферромагнитного полупроводника в парамагнитный способна приводить к радикальному изменению свойств последнего. В частности, возможно наблюдение поляризованной люминесценции.
Как известно, экситонами во многом определяются физические свойства полупроводников и структур на их основе. Низкоразмерность системы стабилизирует экситонные состояния, делая их устойчивыми в гораздо более широком диапазоне температур и внешних электрических полей. Энергия связи и сила осциллятора экситонных состояний в низкоразмерных системах существенно растут, способствуя практической реализации экситонных эффектов даже при комнатной температуре [35]. Это привело к тому, что экситонная спектроскопия стала превращаться в источник новых идей и средств полупроводникового приборостроения. Появились оптические модуляторы, фазовращатели, переключатели и бистабильные элементы, оптические транзисторы и лазеры, в которых используются свойства экситонного газа [36]. Эти приборы отличаются высокой чувствительностью к внешнему управляющему воздействию, а для