WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Вид зависимости (ЕW) (кривая 5, рис. 2) ( = IN/IW – отношение интенсивностей ФЛ узкой и широкой КЯ), демонстрирует экспоненциальный спад в области wN < 3m. В рамках изложенных представлений ширине КЯ wN = 3m соответствует присутствие в ней одного монослоя, не нарушенного смещениями положения гетерограниц. При дальнейшем сужении КЯ этот слой нарушается, затрудняя латеральное движение носителей в КЯ. Это и ведет, по-видимому, к быстрому снижению интенсивности ФЛ, поскольку все большая часть электронно-дырочных пар остаются пространственно разделенными в плоскости КЯ.

Как видно из рис. 3, зависимость (wN) обнаруживает осциллирующий характер. Анализ структуры квантовых подзон узкой КЯ показывает, что максимумам этой зависимости соответствует либо появление новой дырочной подзоны в КЯ, либо смещение верхней дырочной подзоны относительно энергии барьерного слоя на энергию оптического фонона в глубину КЯ. Обнаруженные особенности указывают на существенную роль носителей, релаксировавших в барьерных слоях в процессах захвата их в КЯ и на влияние структуры верхних подзон КЯ на процессы захвата носителей.

Исследование изолированных КЯ образцов А и В показало возможность результативного применения СКМ, и, в частности, возможность построения новых методов оценки физических параметров исследуемой структуры на основе получаемых квазинепрерывных зависимостей. Проведенный анализ позволил прецизионно, в масштабе единиц монослоев и с учетом рельефа гетерограниц определить локальные значения ширины КЯ, образца В для дальнейшего использования этих данных при анализе системы ТСКЯ.

В главе 4 с применением СКМ исследовано влияние ширины туннельного барьера на ФЛ системы двух ТСКЯ GaAs-InGaAs-GaAs-InGaAs-GaAs образца В. В этой системе латералная-неоднородность (скоррелированная с неоднородностью изолированных КЯ этого образца) присутствовала только в слое туннельного GaAs барьера. Локальные значения ширины туннельного барьера были определены по данным анализа изолированных КЯ.

В результате исследования ФЛ этой системы были получены зависимости квазинепрерывного характера энергетических положений и интенсивностей обеих составляющих наблюдаемого спектрального дублета, а также отношения этих интенсивностей от ширины туннельного барьера.

Соответствие экспериментальных и полученных в работе расчетных зависимостей для энергий оптических переходов рассматриваемой системы ТСКЯ позволило идентифицировать наблюдаемые «прямые» и «непрямые» в координатном пространстве оптические переходы и связать параметры ФЛ этой системы с внутренним постоянным поперечным электрическим полем 5·103 В/см.

На основе анализа картины изменения интенсивности линий ФЛ сделан вывод о влиянии электрического поля на процесс заполнения КЯ фотовозбужденными носителями. Наличие поля приводит к несимметричной неравновесной заселенности квантовых подзон системы вследствие существенной роли дрейфа носителей в процессе заполнения ими КЯ. В рамках этих представлений удается качественно описать картину наблюдаемой ФЛ ТСКЯ во всем диапазоне изменения ширины туннельного барьера, включая особенности наблюдаемых зависимостей в области малых значений ширины барьера, характер которых позволяет связать их природу с рекомбинацией экситонных состояний в ТСКЯ.

В главе 5 представлены результаты исследования воздействия внешнего электрического поля на спектры фотолюминесценции (ФЛ) одиночных квантовых ям (КЯ) в нелегированной системе GaAs-InGaAs (КЯ1 шириной 10 нм) и в модуляционно-легированной системе AlGaAs-GaAs (КЯ2 шириной 20 нм). Внешнее смещение подавалось на полупрозрачный металлизированный электрод, через который осуществлялось возбуждение и регистрация ФЛ. Эти эксперименты, помимо самостоятельного значения, позволили сопоставить полученные в предыдущих разделах выводы о влиянии электрического поля на картину ФЛ КЯ, с результатами исследования ФЛ КЯ в условиях прямого полевого воздействия.

В обоих рассмотренных случаях при относительно низких значениях результирующего поля в области КЯ наблюдалось сильное и немонотонное изменение интенсивности ФЛ от внешнего электрического смещения.

На рис. 4 представлены зависимости от приложенного напряжения положения основного пика ФЛ E (1), соответствующего переходам из нижней подзоны электронов, и значения максимальной интенсивности (2) для КЯ2. Резкое изменение E(U) при U ~ 1 эВ соответствует обеднению КЯ электронами, сопровождающемуся сильным увеличением интенсивности ФЛ. При |U| >1.5 В прослеживается резонансный вид зависимости I(U), хорошо описываемый распределением Лоренца (кривая 3).

Проведенный теоретический анализ на основе численного самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона показал, что величина напряженности электрического поля в области КЯ, при напряжении, соответствующем максимуму I(U) составляет ~ 3·103 В/см, и наблюдаемое изменение интенсивности ФЛ невозможно объяснить изменением интегралов перекрытия волновых функций при таких величинах поля. Показано, что немонотонное поведение I(U) в обоих образцах обусловлено влиянием электрического поля на процесс захвата фотогенерированных носителей в КЯ. Рассмотрены возможные механизмы такого влияния.

В результате этого исследования установлено, что поперечное электрическое поле относительно низкой напряженности (~ 103 В/см) может сильно влиять на ФЛ квантовых ям в связи с полевой зависимостью процессов захвата носителей в КЯ. Этот вывод подтверждает результаты, полученные в предыдущих разделах в рамках СКМ.

В Главе 6 поставлена задача изучения физических механизмов, определяющих особый характер спектров ФЛ, проявляющихся в структурах с -легированными слоями n-типа. Эта задача решена с применением СКМ.

Квантово-размерные подзоны в -слоях n-типа, как правило, слабо проявляются в спектрах ФЛ в связи с вытеснением фотогенерированных дырок из области -слоя внутренним электрическим полем [4,5]. Многочисленные попытки увеличить интенсивность ФЛ таких структур путем введения различного рода потенциальных барьеров, ограничивающих миграцию дырок, не привели, однако, к существенному изменению этой ситуации [4-8].

В настоящей работе предложена и исследована латерально-неоднородная структура, содержащая два, находящиеся близко друг к другу (L ~100 -300 ) Si -легированных слоя, созданных в объеме GaAs, разделенные узкой (h ~10 -30 ) квантовой ямой (КЯ) InGaAs. В такой системе фотогенерированные дырки собираются, преимущественно, в КЯ, образуя двумерный дырочный слой. Исследована зависимость ФЛ такой структуры от расстояния между -слоями и содержания In (y) в КЯ. Эти два параметра изменялись одновременно в пределах двухпараметрической латеральной неоднородности экспериментального образца. Вспомогательная структура из двух изолированных GaAs-InGaAs КЯ (линии G и H на рис. 5) дала возможность при исследовании одного образца получить серии квазинепрерывных экспериментальных зависимостей параметров ФЛ исследуемой структуры от каждого из изменяемых параметров при фиксированном значении другого параметра.

Предложенная структура позволила наблюдать многокомпонентные интенсивные спектры ФЛ в области 1.47 эВ – 1.54 эВ (линии A, B, C, D, E, F на рис. 5) связанные с квантово-размерными подзонами в -слоях, с экспоненциальным увеличением интенсивности линий всех компонентов спектра при увеличении значений L и y. Относительно высокую интенсивность ФЛ мы связываем с двумерным характером движения фотогенерированных дырок в плоскости КЯ, а наблюдаемое уменьшение интенсивности - с его нарушением в результате влияния процессов латеральной локализации дырок на неоднородностях флуктуационного примесного потенциала. Полученные результаты позволяют полагать, что двумерный характер движения дырок является определяющим фактором процесса излучательной рекомбинации в области двумерного электронного газа. Сформулированное в работе положение о локализации дырок в минимумах потенциального рельефа флуктуационного потенциала вблизи - слоев позволяет объяснить с единой точки зрения многие результаты исследования ФЛ в – слоях других авторов, демонстрирующие существенное различие спектров ФЛ n-i-p-i и n-i-n-i структур, а также одиночных – слоев.

В исследуемой структуре зарегистрирован очень незначительный сдвиг (менее 5 мэВ) энергетического спектра ФЛ при изменении расстояния между – слоями. Такая «энергетическая стабилизация» спектра ФЛ связывается с локализацией дырок в потенциальной яме между – слоями, что приводит к накоплению в ней заряда, достаточного для формирования сглаженного поперечного распределения потенциала в области между –слоями, «стабилизирующего» энергетический спектр дырок. Зафиксированы, также, еще ряд экспериментальных особенностей, такие, как тенденции к насыщению роста интенсивности ФЛ при увеличении L, прекращение роста интенсивности ФЛ высокоэнергетических компонентов спектра на фоне роста низкоэнергетических компонентов. Эти и другие особенности объяснены в рамках изложенных выше представлений.

Заключение посвящено обобщающему анализу полученного в настоящей работе опыта применения спектрально-корреляционного метода исследования. Сформулированы ряд существенных особенностей метода, которые во многих случаях могут быть основой его эффективного применения: возможность исследования широкого круга физических процессов и структур и разнообразие методологических решений для их исследования, возможность прецизионного изменения параметров в процессе исследования при низких технологических затратах, статистическая представительность данных, получаемых при применении метода. Эти и другие особенности метода позволяют сделать вывод о возможности развития на его основе нового направления исследования физических свойств наноструктур. Рассмотрены некоторые аспекты развития этого направления, суть которых стало возможным сформулировать в результате выполненной работы.

Сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

В конце представлен список работ, вошедших в диссертацию.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

  1. Предложен, разработан и продемонстрирован путем применения в ряде задач новый спектрально-корреляционный метод исследования физических процессов в наноструктурах, позволяющий осуществлять в процессе спектроскопического исследования специально создаваемых планарно-неоднородных структур контролируемое прецизионное изменение технологически сформированных параметров, таких, как толщины, компонентный состав квантово-размерных слоев.
  2. Разработанный метод характеризуется значительным разнообразием методологических вариантов применения и обеспечивает возможность в процессе исследования каждого экспериментального образца (полупроводниковой пластины) получать статистически представительную совокупность экспериментальных данных, отражающих связь исследуемых параметров с прецизионно изменяемыми параметрами структуры, которые могут быть представлены в виде серии (серий) экспериментальных зависимостей квазинепрерывного характера.
  3. На основе применения разработанного метода проведен комплекс исследований наноструктур различных классов (изолированных квантовых ям, туннельно-связанных квантовых ям, структур с электронными -слоями) для которых экспериментально получены зависимости параметров фотолюминесценции от параметров их полупроводниковой структуры (толщин и компонентного состава наноразмерных слоев). Эти зависимости получены впервые, характеризуются прецизионным изменением варьируемых параметров и имеют квазинепрерывный характер.
  4. Впервые обнаружен ряд экспериментальных особенностей, которые объяснены влиянием физических процессов различной природы на параметры ФЛ: влиянием рельефа гетерограниц на параметры экситонных оптических переходов в квантовых ямах, определяющим влиянием латерального движения носителей внутри КЯ на процесс излучательной рекомбинации в КЯ, влиянием структуры верхних (близким к энергии барьерных слоев) квантовых подзон КЯ на процесс захвата фотовозбужденых носителей в КЯ, особенностями процесса релаксации фотогенерированных носителей и влиянием электрического поля на неравновесную заселенность квантовых подзон системы туннельно-связанных КЯ и на энергию непрямых оптических переходов в этой системе, влиянием латеральной локализации дырок на процесс излучательной рекомбинации в системе электронных -слоев.

Наблюдаемые экспериментальные проявления этих процессов определяют возможность разработки новых методов оценки физических параметров полупроводниковых структур, таких, как параметры рельефа гетегограниц, отношение разрывов энергетических зон на гетерогранице, величина внутреннего электрического поля полупроводниковой структуры, характеристики примесного флуктуационного потенциала. Продемонстрированы некоторые примеры таких оценок.

  1. Предложена и исследована при помощи СКМ полупроводниковая структура, включающая два близко расположенные -слоя n-типа в слое GaAs и внедренную симметрично между ними узкую InGaAs квантовую яму. При исследовании этой структуры впервые удалось наблюдать интенсивные многокомпонентные спектры ФЛ, связанные с системой 2D электронных подзон в -легированных слоях n-типа благодаря формирующемуся в КЯ двумерному дырочному слою, обеспечивающему условия прямых (в квазиимпульсном пространстве) оптических переходов.

На примере этой структуры впервые продемонстрирована возможность регистрации экспериментальных зависимостей при исследовании квантово-размерной структуры в условиях двухпараметрической латеральной неоднородности ее слоев. При исследовании одного образца в условиях прецизионного изменения расстояния между -слоями и содержания In в КЯ получены серии экспериментальных зависимостей параметров ФЛ от параметров, изменяемых в пределах неоднородности, дающие подробную картину изучаемого процесса.

В исследованной структуре обнаружен эффект экспоненциального увеличения интенсивности составляющих спектра ФЛ системы -слоев при увеличении каждого из изменяемых в данном эксперименте параметров. Относительно высокая интенсивность наблюдаемой ФЛ объяснена двумерным характером движения фотогенерированных дырок в плоскости КЯ, а наблюдаемое уменьшение интенсивности - с нарушением «двумерности» дырок в результате влияния процессов их латеральной локализации на неоднородностях флуктуационного примесного потенциала.

На полученных зависимостях обнаружены ряд экспериментальных особенностей: эффект энергетической стабилизации спектра ФЛ, тенденция к насыщению роста интенсивности ФЛ, эффект насыщения экспоненциального роста интенсивности ФЛ высокоэнергетических компонентов на фоне быстро увеличивающейся интенсивности более низкоэнергетических компонентов.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»