WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 11 Полумагнитные сверхрешетки типа II ZnMnSe/ZnSSe: рост и магнитолюминесцентные свойства ¶ © А.А. Торопов, А.В. Лебедев, С.В. Сорокин, Д.Д. Салнышков, С.В. Иванов, П.С. Копьев, И.А. Буянова, В.М. Чен, Б. Монемар Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Университет Линчепинга, S-581 83 Линчепинг, Швеция (Получена 1 апреля 2002 г. Принята к печати 4 апреля 2002 г.) Методом молекулярно-пучковой эпитаксии изготовлен образец с полумагнитной сверхрешеткой типа II ZnSSe/ZnMnSe. Образец выращен псевдоморфно на подложке GaAs, причем составы твердых растворов и толщины слоев выбраны таким образом, чтобы деформации сжатия в слое ZnMnSe компенсировали деформации растяжения в слое ZnSSe. В спектрах фотолюминесценции в магнитном поле наблюдается эффект „гигантского зеемановского расщепления экситона“. Моделирование величины сдвига линии люминесценции в магнитном поле позволило уточнить разрывы зон на границе ZnSSe/ZnMnSe.

1. Введение уменьшает критическую толщину бездефектного роста.

В результате строгие ограничения накладываются на В последнее время заметно активизировался инте- толщины эпитаксиальных слоев и сверхрешеток (СР) рес к полумагнитным полупроводниковым соединени- или количество квантовых ям (КЯ) в образце.

ям группы AIIBVI и особенно к наноструктурам на Существенное увеличение суммарной толщины сверхих основе. Причиной послужили недавние сообщения решеток и множественных квантовых ям (МКЯ), соо возможных применениях таких материалов в быстро стоящих из сильнонапряженных псевдоморфных слоев, развивающейся области „спинтроники“ [1], в частноможет быть достигнуто с использованием концепции сти об осуществлении эффективной инжекции спинкомпенсации напряжений [6,7]. Суть метода заключается поляризованных электронов из объемных слоев [2–4] в компенсации напряжений, возникающих за счет несоили сверхрешетки [5] полумагнитных полупроводников ответствия постоянных решеток слоя и подложки, в регруппы AIIBVI в немагнитную область полупроводзультате введения другого слоя соответствующей толниковой структуры. Реализация новых „спинтронных“ щины, имеющего противоположный знак несоответствия приборов требует развития технологии роста высокопараметров решеток. Для псевдоморфного роста такой качественных гетероструктур, включающих бездефектгетероструктуры с чередующимися разнополярно напряные слои полумагнитных, разбавленных магнитных поженными слоями необходимо выполнение двух условий:

лупроводников (РМП).

толщины как каждого отдельного слоя, так и всей Широкий класс РМП, успешно выращиваемых метоструктуры в целом не должны превышать критических дом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подзначений. В применении к соединениям группы AIIBVI ложках GaAs, представлен селенидами цинка и кадмия, такой подход позволил реализовать псевдоморфный рост а также твердыми растворами на их основе, включающиМКЯ ZnSSe/ZnCdSe с суммарной толщиной 6600, ми относительно небольшие концентрации магнитных тогда как критические толщины для отдельных составионов Mn2+. Однако равновесные постоянные решетки ляющих слоев находились в диапазоне 100-200 [7].

всех соответствующих бинарных соединений (5.668 — В настоящей работе представлены данные по выращиZnSe, 6.077 — CdSe и 5.904 — MnSe) оказываются ванию методом МПЭ и магнитооптическим свойствам больше постоянной решетки GaAs (5.6532 ). Величина полумагнитной сверхрешетки с разнополярно напряженрассогласования определяет максимальную (критичеными слоями ZnMnSe (напряжения сжатия) и ZnSSe скую) толщину слоя, который может быть выращен (напряжения растяжения), причем толщины и составы псевдоморфно, т. е. без релаксации напряжений. Релакслоев выбраны таким образом, чтобы средняя постосация напряжений неминуемо сопровождается появлеянная решетки всей структуры фактически совпадала нием протяженных дефектов, прежде всего дислокаций с постоянной решетки подложки GaAs.

несоответствия, приводящих к деградации оптических Статья построена следующим образом. В разд. и транспортных свойств структуры. В перечисленном описаны конструкция образца, условия и режимы МПЭ ряду материалов максимальная критическая толщина и результаты структурной характеризации методом ди(600–1000 ) наблюдается у чистого ZnSe. Для твердых фракции рентгеновских лучей. Разд. 3 посвящен излорастворов Zn1-xMnxSe рост концентрации ионов Mn жению результатов исследований низкотемпературной быстро увеличивает рассогласование и соответственно фотолюминесценции (ФЛ) во внешнем магнитном поле.

¶ E-mail: toropov@beam.ioffe.rssi.ru В разд. 4 проведен теоретический анализ с привлечениПолумагнитные сверхрешетки типа II ZnMnSe/ZnSSe: рост и магнитолюминесцентные свойства ем данных рентнеговских и магнитооптических исследований, позволивший сделать вывод о типе II зонной структуры сверхрешетки и оценить величины разрывов зон на гетерогранице ZnMnSe/ZnSSe. Разд. 5 суммирует результаты работы.

2. Конструкция, условия эпитаксии и структурная характеризация образца Для выполнения условия баланса напряжений в многослойном образце, выращенном на подложке с постоянной решетки a0, необходимо, чтобы средняя постоянная решетки в плоскости слоев (a ) равнялась a0. Величина a может быть определена как Рис. 1. ( - 2)-кривая качания рентгеновской дифракции для рефлекса (004). Штриховая линия — эксперимент, сплошaiGihi ная линия — теоретическое моделирование с параметрами, i a =, (1) соответствующими наилучшей подгонке магнитооптических Gihi экспериментальных данных.

i где суммирование ведется по всем слоям структуры, ai, hi и Gi представляют собой равновесную постоянную решетки, толщину и модуль сдвига для i-го слоя.

бического MnSe фактически отсутствуют, для твердоДля компенсации напряжений сжатия в слое ZnMnSe, го раствора Zn0.96Mn0.04Se с малым содержанием Mn выращенном на подложке GaAs, необходимо введение использовались значения упругих постоянных селенида слоя с постоянной решетки, меньшей a0 = 5.6532, цинка.

для чего был выбран тройной твердый раствор ZnSSe.

Образец был выращен методом МПЭ на подложке С использованием формулы (1) и параметров бинар(001) GaAs и представлял собой следующее чередование ных соединений, приведенных в таблице, были выслоев: буферные слои (20 нм ZnSe и 20 нм ZnS0.06Se0.94), браны следующие параметры периода сверхрешетки, 0.2 мкм четверного твердого раствора ZnMgSSe, сопряблизко удовлетворяющей условиям баланса напряжений:

Zn0.96Mn0.04Se(5нм)/ZnS0.15Se0.85(5нм). Постоянные ре- женного по параметру решетки с GaAs, сверхрешетки — шетки и константы упругости тройных твердых рас- 15 периодов Zn0.96Mn0.04Se(5нм)/ZnS0.15Se0.85(5нм), творов определялись линейной интерполяцией между 0.1 мкм ZnMgSSe и 5 нм ZnSe. В качестве источников соответствующими значениями для бинарных матери- молекулярных пучков использовались Zn, Mg, Mn, Se алов. Поскольку данные о константах упругости куи ZnS. Температура роста составила 270C и ее выбор определялся получением желаемого содержания серы в слоях ZnMgSSe при их выращивании в оптимальных Параметры бинарных соединений условиях МПЭ (соотношение элементов AVI/BII 1) за Параметр ZnSe ZnS MnSe счет сильной температурной зависимости коэффициента встраивания серы [14]. Соответственно слои ZnMnSe a0, 5.668 [8] 5.4093 [9] 5.904 [10] c11, Мбар 0.826 [11] 1.067 [11] были выращены в условиях стабилизации поверхности c12, Мбар 0.498 [11] 0.666 [11] атомами Se.

ac, эВ -4.17 [11] -4.09 [11] На рис. 1 приведена кривая качания рентгеновской av, эВ 1.65 [11] 2.31 [11] дифракции, измеренная на двухкристальном рентгенодиb, эВ -1.2 [11] -0.8 [11] фракционном спектрометре для рефлекса (004). Кривая, эВ 0.43 [11] 0.07 [11] SO Evav, эВ -8.37 [11] -9.15 [11] включает основной пик дифракции на сверхрешетке me/m0 0.16 [8] 0.34 [12] (0) и равноотстоящие от него сателлиты (+1 и -1).

mhh/m0 0.6 [8] 1.76 [13] Основной пик фактически совпадает с узким пиком mlh/m0 0.145 [8] 0.23 [13] дифракции на подложке GaAs, что свидетельствует Eg, эВ 2.821 [8] 3.84 [11] о фактическом выполнении условия баланса напряжений (при 0К) в сверхрешетке. Расстояние между сателлитами позвоПримечание. a0 — равновесная постоянная решетки; c11, c12 — ляет оценить период сверхрешетки как (9.8 ± 0.5) нм, упругие константы; ac, av, b — деформационные потенциалы; — SO что находится в хорошем согласии с запланированными энергия спин-орбитального расщепления; me, mhh, mlh — эффективные параметрами.

массы электронов, тяжелых дырок, легких дырок соответственно, m0 — масса свободного электрона.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1374 А.А. Торопов,.А.В. Лебедев, С.В. Сорокин, Д.Д. Салнышков, С.В. Иванов, П.С. Копьев...

+ Рис. 2. Спектры магнитофотолюминесценции, измеренные в -поляризации (a) и в -поляризации (b). На вставке (b) — спектры в полулогарифмическом масштабе.

3. Магнитофотолюминесцентные 10%. Подобное поведение характерно для широкозонных немагнитных соединений на основе селенида цинка измерения (см., например, [15]), так как величина зеемановского Для измерения спектров магнитофотолюминесценции расщепления экситонных уровней для используемых образец помещался в гелиевый криостат со сверхпро- магнитных полей оказывается много меньше ширин водящим магнитом, позволяющим получать магнитные экспериментально наблюдаемых пиков.

поля до 5 Тл. С помощью откачки паров жидкого гелия Совершенно по-другому ведет себя третий, более в камере образца поддерживалась температура 1.8 K.

длинноволновый пик. Рост магнитного поля обусловВсе спектры, обсуждаемые в этой работе, измерялись ливает заметный сдвиг пика ( 40 мэВ при B = 5Тл) в геометрии Фарадея (магнитное поле ориентировано + + и его -поляризацию. Степень -поляризации в маквдоль направления детектирования фотолюминесценции симуме пика достигает 90% при магнитных полях (ось z ) и вдоль оси рост структуры). Возбуждение люB < 1 Тл и насыщается при больших полях. Кроме того, минесценции осуществлялось ультрафиолетовыми линив -поляризованных спектрах в области магнитных поями Ar+-лазера (352–372 нм). Возбуждающий свет был лей B < 2 Тл отчетливо наблюдается расщепление пика линейно поляризован. Для анализа круговой поляризана две компоненты, что отдельно проиллюстрировано на ции ФЛ использовались последовательно размещенные вставке к рис. 2, b. Зависимости положения этих пиков, четвертьволновая пластинка и линейный поляризатор.

На рис. 2 приведены спектры ФЛ, измеренные при нескольких значениях магнитного поля для круговых + поляризаций (a) и (b). При нулевом магнитном поле в спектре имеются три пика. Два пика (вблизи 2.94 и 2.90 эВ) объясняются ФЛ из „ограничивающих“ слоев ZnMgSSe. Один из них ( 2.94 эВ) соответствует люминесценции локализованных или связанных экситонов с энергией вблизи края поглощения ZnMgSSe, второй ( 2.90 эВ) предварительно приписан рекомбинации донорно-акцепторных пар в том же слое. Третий пик ( 2.81 эВ) связывается с экситонной ФЛ из полумагнитной сверхрешетки ZnMnSe/ZnSSe.

Такая расшифровка спектра хорошо согласуется с наблюдаемым эффектом магнитного поля. Действительно, оба коротковолновых пика (2.90 и 2.94 эВ) ведут себя одинаковым образом: положение пиков практически не Рис. 3. Зависимость положения пиков ФЛ от магнитного поля.

+ зависит от магнитного поля и единственным наблюда1 — положение основного пика ФЛ, наблюдаемого в емым эффектом является появление слабой -поляи -поляризациях; 2 — положение слабой спектральной осоризации пиков с ростом магнитного поля. При поле бенности, наблюдаемой только в -поляризации. Сплошная B = 5 Тл степень круговой поляризации не превышает линия показывает наилучшую теоретическую подгонку.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Полумагнитные сверхрешетки типа II ZnMnSe/ZnSSe: рост и магнитолюминесцентные свойства 4. Разрывы зон на гетерогранице ZnMnSe/ZnSSe 4.1. Разрывы зон при нулевом магнитном поле Для оценки величины разрывов зон на гетерогранице Zn1-xMnxSe/ZnSy Se1-y мы воспользовались ранее опубликованными данными о разрывах зон на границах ненапряженных слоев Zn1-xMnx Se/ZnSe и ZnSe/ZnSy Se1-y, „правилом транзитивности“, а также теорией Ван де Валле [11] для учета влияния на разрывы зоны напряжений, вызванных несоответствием параметра решетки слоев и подложки.

Известно, что большая часть разности между ширинами запрещенной зоны (Eg) Zn1-x MnxSe и ZnSe приходится на разрыв зоны проводимости. По данным разных авторов на разрыв валентной зоны приходится Рис. 4. Схематическая иллюстрация действия напряжений от 5 до 20% от суммы разрывов валентной зоны и зоны и магнитного поля на структуру зон твердых растворов проводимости, причем это значение зависит от x [18,19].

ZnMnSe и ZnSSe. Напряжения отвечают псевдоморфному роС учетом слабой зависимости Eg от x в области сту на GaAs. Стрелки соответствуют пространственно „косым“ малых концентраций Mn, для параметров исследуемомежзонным переходам с наименьшей энергией, разрешенным + в - и -поляризациях. Штрихпунктирные линии показы- го образца (x 0.04) разрыв валентной зоны на гравают положение зон ненапряженного ZnSe.

нице Zn1-xMnxSe/ZnSe можно считать пренебрежимо малым.1 Напряжения сжатия в псевдоморфном слое Zn1-xMnxSe приводят к увеличению запрещенной зоны, в основном за счет повышения энергии зоны проводи+ наблюдаемых в - и -поляризациях, от величины мости. Что касается валентной зоны, действие двуосных магнитного поля приведены на рис. 3.

деформаций в псевдоморфном слое на структуру зоны Такие проявления характерны для эффекта „гигантможно разложить на две составляющие: всестороннее ского зеемановского расщепления экситона“ [16], насжатие и одноосное сжатие (см., например, [11]). Первая блюдаемого обычно в РМП в результате обменного составляющая обусловливает понижение энергии центра взаимодействия s-d (p-d) между ионами Mn2+ и электяжести валентных зон, тогда как одноосное сжатие тронами (дырками). Согласно известным правилам отснимает вырождение зон тяжелых и легких дырок, уве+ бора для оптических переходов [17], -поляризация личивая энергию зоны тяжелых дырок. Для Zn1-xMnx Se соответствует рекомбинации экситона с полной проеквторой эффект окaзывается доминирующим, приводя цией углового момента +1. Заметим, что в тонком нак сдвигу зоны тяжелых дырок в Zn1-xMnxSe вверх по пряженном слое ZnMnSe действие напряжений сжатия энергии по сравнению с ZnSe и к формированиию на приводит к расщеплению четырехкратно вырожденного границе структуры зона типа II, когда слой Zn1-xMnx Se дырочного уровня на двукратно вырожденные уровни является „барьером“ для электронов и „ямой“ для легкой и тяжелой дырок с проекциями углового момента дырок.

|±1/2 и |±3/2 соответственно (см. схему на рис. 4).

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.