WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 9 Циркулярно поляризованная фотолюминесценция, связанная с A(+)-центрами в квантовых ямах GaAs/AlGaAs © П.В. Петров, Ю.Л. Иванов¶, К.С. Романов, А.А. Тонких, Н.С. Аверкиев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 декабря 2005 г. Принята к печати 16 января 2006 г.) Впервые измерена индуцированная магнитным полем циркулярная поляризация пика фотолюминесценции, связанного с A(+)-центрами квантовых ям. Показано, что степень поляризации в магнитном поле 4 Тл достигает 13%, тогда как его расщепление практически отсутствует. Развита теория, описывающая поведение тонкой спиновой структуры A(+)-центра в магнитном поле. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическим расчетом.

PACS: 73.20.Hb, 73.21.Cd, 78.67.Pt 1. Введение ную дырку. Было установлено, что характерный размер волновой функции дополнительной дырки превосходит Интерес к A(+)-центрам в объемных материалах был размер волновой функции нейтрального акцептора и вызван тем, что такие дефекты играли принципиальную при анализе свойств A(+)-центра можно пренебрегать роль в процессах прыжковой проводимости по примес- обменным взаимодействием дырок. Расчеты в модели ным зонам. Одним из главных вопросов при этом был потенциала нулевого радиуса позволили установить, что вопрос о самом существовании таких центров, о вели- основному состоянию дырок отвечает проекция полного чине энергии связи и размере волновой функции. Подоб- момента на ось роста, равная ±3/2, и энергия первоные вопросы возникли и при исследовании оптических го возбужденного состояния отличается от основного и кинетических эффектов в низкоразмерных системах. на величину 1-2 мэВ для исследуемых квантовых ям Было установлено [1], что в квантовых ямах с селек- GaAs/AlGaAs.

тивным легированием возникают A(+)-центры, а в рабо- Вместе с тем путем анализа индуцированной магте [2] было показано, что рекомбинация возбужденных нитным полем циркулярной поляризации ФЛ, связанэлектронов с A(+)-центрами происходит путем излуча- ной с A(+)-центрами, можно определить его тонкую, тельного перехода электронов на уровень A(+)-центра, спиновую, энергетическую структуру. В данной работе положение которого определяется его энергией связи приводятся первые результаты такого исследования.

с валентной зоной. Это дало возможность измерить энергию связи A(+)-центров, которая в квантовых ямах 2. Эксперимент GaAs/AlGaAs оказывается существенно больше, чем в объеме, методом спектрального анализа фотолюминесОбразцы сверхрешеток с квантовыми ямами ценции (ФЛ) и определить ее зависимость от ширины GaAs/Al0.35Ga0.65As изготавливались методом молеквантовых ям [3].

кулярно-лучевой эпитаксии в кристаллографическом Метод ФЛ при определении энергии связи A(+)наравлении роста (100). Процент содержания алюминия центров имеет то преимущество по сравнению с друв барьерах толщиной 20 нм выбирался из соображения гими методами, например методом измерения темпепревышения ширины запрещенной зоны материала ратурной зависимости эффекта Холла, что позволяет барьеров над энергией кванта света гелий-неонового проводить измерения при весьма малых концентрациях лазера, с помощью которого осуществлялось фотовозA(+)-центров. Малость концентрации A(+)-центров при буждение. В этом случае поглощение света происходит определении их энергии связи важна, так как из-за больтолько в квантовых ямах, обеспечивая достаточно шого радиуса локализации A(+)-центров перекрытие их однородное возбуждение при числе квантовых ям, равволновых функций возникает при значительно меньших ном 10. Основные эксперименты выполнены на образцах концентрациях, чем для обычных акцепторов A(0), что с ширинами квантовых ям W, равными 16 и 18 нм, в приводит к взаимодействию между ними и уширению которых наблюдается достаточно хорошее разрешение уровня. В работе [3] методом ФЛ была определена энерблизко расположенных пиков ФЛ связанного экситона гетическая стурктура A(+)-центра при минимально воз(BE) и рекомбинационного излучения A(+)-центра, можной их концентрации (поряка 1010 см-2), определена однако исследовались и образцы с меньшими ширинами зависимость его энергии связи от ширины квантовых ям квантовых ям 7, 9 и 11 нм. Характер поведения ФЛ и показано, что A(+)-центр можно рассматривать как в зависимости от магнитного поля и ее поляризации нейтральный акцептор, который захватил дополнительдля этих образцов в общем такой же, что и для ¶ E-mail: Yuri.Ivanov@mail.ioffe.ru образцов с W = 16 и 18 нм, хотя и менее выраженный 1100 П.В. Петров, Ю.Л. Иванов, К.С. Романов, А.А. Тонких, Н.С. Аверкиев энергии от магнитного поля, которая в случае BE квадратична, а в случае рекомбинационного излучения A(+)-центра — линейна. Оба этих критерия использовались в наших экспериментах при идентификации пиков ФЛ. Включение магнитного поля, вообще говоря, приводит к расщеплению пиков в спектрах ФЛ с разной поляризацией и изменению их интенсивностей. Для повышения точности определения расщепления пиков и степени их поляризации применялась методика разложения кривых на несимметричные гауссовые составляющие. Результат такой обработки представлен на рис. 2, на котором изображена зависимость степени поляризации пика рекомбинационного излучения на A(+)-центр от магнитного поля.

Рис. 1. Спектры фотолюминесценции для образца с квантовыми ямами шириной 16 нм при T = 4.2 K и двух циркулярных + - 3. Обсуждение результатов поляризциях и.

Поведение линии ФЛ, обусловленной рекомбинацией BE, вполне согласуется с известными литературными данными (см., например, [4]). Отсутствие его поляризации можно объяснить спецификой состава исследуемых структур. Мы подразумеваем, что BE образуется при захвате свободного экситона на неравновесные нейтральные акцепторы, образовавшиеся в результате рекомбинации A(+)-центра и свободного электрона.

В основном состоянии BE проекция спина двух дырок на ось квантования равна нулю. Вследствие этого основное состояние BE в магнитном поле расщепляется только на два электронных подуровня. Их заселенность определяется величиной µ0geH, где µ0 — магнетон Бора, ge — фактор электрона, величина которого для исследуемых структур с 35% содержанием алюминия в барьерах относительно невелика и равна -0.3. Это Рис. 2. Степень поляризации пика фотолюминесценции, свяозначает, что даже в поле 4 Тл спиновое расщепление занного с A(+)-центрами в зависимости от магнитного поля H.

составляет величину 0.12 мэВ, которая меньше, чем kT T = 4.2 K. Сплошная кривая — расчет, точки — эксперимент.

в условиях измерений. Поскольку две дырки заполняют оба одночастичных состояния с m = ±3/2, электрон со спином +1/2 рекомбинирует с дыркой со спином -3/из-за малого разрешения соответствующих пиков. ФЛ и дает излучение, поляризованное как, а электрон со регистрировалась с помощью фотоумножителя ФЭУ-62 спином -1/2, рекомбинируя с дыркой +3/2, приводит + в режиме счета фотонов и анализировалась с помощью к поляризации. Отношение I+/I- = exp(µ0geH/kT) двойного спектрометра ДФС-12. Для определения порядка 1 при H = 3Тл и T = 4.2 K, и, следовательно, степени поляризации и величины расщепления пиков за- интегральная циркулярная поляризация ФЛ, связанная писывались спектры в положительной и отрицательной с BE, должна отсутствовать. При анализе эксперициркулярной поляризации ФЛ в конфигурации Фарадея. ментальных данных надо, однако, иметь в виду, что Пример спектра ФЛ с различной циркулярной поля- после рекомбинации дырки, например со спином +3/2, ризацией в магнитном поле 3.48 Тл при T = 4.2K для остается другая дырка со спином -3/2, энергия которой образца F-387, W = 16 нм, представлен на рис. 1. Как в магнитном поле будет равна (3/2)µ0ghH (здесь gh — видно, хорошо различаются два пика. Пик при меньшей g-фактор дырки). Поэтому в спектре ФЛ переход с + энергии соответствует излучению BE, тогда как пик циркуляцией будет сдвинут от перехода с в при большей энергии соответствует рекомбинационному коротковолновую сторону на величину 3µ0ghH. Таким излучению свободных электронов при их переходе на образом, спектр поляризации ФЛ, обусловленный излуA(+)-центр. Справедливость этого утверждения под- чательной рекомбинацией BE, будет состоять из двух тверждают два экспериментальных факта. Во-первых, линий примерно равной интенсивности, поляризованных это — характерные температурные зависимости ин- противоположным образом и сдвинутых относительно тенсивности пиков [3]. Во-вторых, — зависимости их друг друга.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Циркулярно поляризованная фотолюминесценция, связанная с A(+)-центрами в квантовых ямах... Рассмотрим теперь излучение, связанное с A(+)-центрами, обусловленное рекомбинацией свободного электрона и слабо локализованной дополнительной дырки.

В слабых магнитных полях циркулярная поляризация излучения, связанная с A(+)-центрами, возникает за счет спинового расщепления уровней связанной дырки и электрона и их температурного перезаселения. В более сильных полях становятся существенными диамагнитные эффекты для локализованных дырок, поскольку радиус основного состояния A(+) весьма велик, а первое возбужденное состояние отстоит от основного на величину порядка 1 мэВ [3], так что при gh = 1, в полях около 2 Тл возникает „взаимодействие“ основного и возбужденного состояния. Поведение основного и первого возбужденного уровня A(+)-центра в магнитном поле Рис. 3. Расчет изменения энергетического спектра A(+)может быть описано гамильтонианом центра в магнитном поле. Параметры расчета указаны в тексте.

5 H = µ0gh(Jz H)+1 J2 - H2 + J2 - + 0H2, z z 4 2 (1) Физический смысл параметров 1 и 0 состоит в том, что где H — магнитное поле, направленное вдоль оси роста 1 описывает изменение энергетического зазора между (ось z ), 1, 0 — параметры, описывающие диамагнитное основным и возбужденным состояниями, а 0 —общий расщепление и сдвиг соответственно, — величина сдвиг этих уровней в квадратичном по магнитному полю расщепления между основным и возбужденным состо- приближении. Поскольку экспериментально (см. рис. 2) яниями в нулевом магнитном поле, Jz — оператор наблюдается уменьшение степени поляризации в полях проекции полного момента дырки на ось z. В геометрии около 3 Тл, то, согласно правилам отбора, это можно Фарадея правила отбора для переходов между состоянисвязать с переходами в состояния дырки +1/2 или -1/2.

ями электрона со спином 1/2 и дыркой 3/2, n, c|m, v Тогда знак константы 1 должен быть выбран таким обмогут быть записаны в виде разом, чтобы уменьшить исходное расщепление между основным и возбужденным состояниями. В формулах (3) 1/2, c|3/2, v = 1/2, c| -1/2, v = 0, и (4) учтен отрицательный знак g-фактора электрона, + 1/2, c|1/2, v = / 3, 1/2, c| -3/2, v =, так что под ge понимается его абсолютное значение.

Величина была оценена нами ранее [3] и составля -1/2, c|1/2, v = -1/2, c| -3/2, v = 0, ет 1-2 мэВ, ge в исследуемых ямах приблизительно - + -1/2, c|1/2, v = / 3, -1/2, c|3/2, v = -.

равен -0.3 [5]. Величина g-фактора дырки для A(+) (2) неизвестна, но обычно для квантовых ям GaAs/AlGaAs Будем считать, что спиновое расщепление уровней элек- она приблизительно равна 1. Таким образом, неизвесттрона описывается обычным гамильтонианом ной величиной в (4) является только 1, а величина определяет сдвиг линии ФЛ в магнитном поле. ЗнаH = µ0ge(Sz H), (3) чение 0 можно просто оценить из соображений, что где Sz — оператор проекции спина электрона на ось z. диамагнитные эффекты должны разрушать связанное Используя (1)–(3) и предполагая, что ширина ФЛ пре- состояние в полях, когда магнитная длина станет равной восходит величины магнитных расщеплений и уровни характерному размеру волны функции в нулевом поле.

носителей заряда заселены равновесно, можно получить На рис. 2 наряду с экспериментальными данными следующее выражение для степени циркулярной поля- по зависимости степени циркулярной поляризации от ризации во внешнем магнитном поле:

магнитного поля приведены результаты соответствующих расчетов при ge = -0.3, gh = 0.8, 0 = 0.06 мэВ/K2, (3gh + ge)µ0H 1HPcirc = 3sh exp - = 1.5 мэВ, T = 4.2 K. Видно, что рассчитанная кривая 2kT kT правильно отражает зависимость Pcirc(H), однако по величине теоретическая кривая уменьшена в 4 раза.

(gh - ge)µ0H 1H+ sh exp exp Мы связываем это с деполяризацией излучения, ко2kT kT kT торая может происходить на поверхности образца и в установке. На рис. 3 приведен результат расчета (3gh + ge)µ0H 1H 3ch exp изменения энергетического спектра A(+) в магнитном 2kT kT поле при используемых значениях параметров. Область -пересечения кривых соответствует магнитному полю, (gh - ge)µ0H 1H+ ch exp exp -. (4) при котором начинается уменьшение степени поляри2kT kT kT Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1102 П.В. Петров, Ю.Л. Иванов, К.С. Романов, А.А. Тонких, Н.С. Аверкиев зации на рис. 2. Отметим, что в области уменьшения поляризации наблюдалось также падение общей интенсивности излучения. Это объясняется тем, что в рамках используемой модели в магнитных полях больше 3 Тл переходы в основное состояние A(+)-центра становятся запрещенными.

4. Заключение Таким образом, в данной работе впервые обнаружена тонкая структура A(+)-центров в магнитном поле и определены параметры, определяющие поведение дефекта в магнитном поле. Показано, что предложенная ранее модель A(+)-центра [3] подтверждается оптическими экспериментами в магнитном поле.

Работа поддержана проектами РФФИ, INTAS, частично грантом президента „Ведущие научные школы“ НШ-2003.2223.02, научными программами РАН и ISTC (МНТЦ) 2206.

Список литературы [1] Н.В. Агринская, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, Д.В. Полос кин. ФТП, 35, 571 (2001).

[2] Ю.Л. Иванов, Н.В. Агринская, П.В. Петров, В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин. ФТП, 36, 993 (2002).

[3] Н.С. Аверкиев, А.Е. Жуков, Ю.Л. Иванов, П.В. Петров, К.С. Романов, А.А. Тонких, В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин.

ФТП, 38, 222 (2004).

[4] N.J. Traynor, R.J. Warburton, M.J. Snelling, R.T. Harley. Phys.

Rev. B, 35, 15 701 (1997).

[5] E.L. Ivchenko, G. Pikus. Superlattices and Other Heterostructures (Springer Verlag, 1995).

Редактор Т.А. Полянская A photoluminescence polarized in a circular way and related to A(+) centres in GaAs/AlGaAs quantum wells P.V. Petrov, Yu.L. Ivanov, K.S. Romanov, A.A. Tonkikh, N.S. Averkiev Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

For the first time induced by magnetic field circular polarization of photoluminescence peak connected with A(+) centers in quantum wells have been measured. It is shown that polarization degree in a magnetic field of 4 T reaches 13% while splitting of the peak is practically absent. A theory of the fine spin structure of A(+) center in a magnetic field has been developed. Experimental results are in good agreement with theoretical predictions.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.