WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Мелкие акцепторы в гетероструктурах Ge/GeSi с квантовыми ямами в магнитном поле © В.Я. Алешкин, А.В. Антонов, Д.Б. Векслер, В.И. Гавриленко, И.В. Ерофеева, А.В. Иконников, Д.В. Козлов, О.А. Кузнецов, К.Е. Спирин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: dvkoz@ipm.sci-nnov.ru Экспериментально и теоретически исследованы мелкие акцепторы в гетероструктурах Ge/GeSi с квантовыми ямами в магнитном поле. Показано, что наряду с линиями циклотронного резонанса в спектрах магнитопоглощения наблюдаются переходы с основного состояния акцептора на возбужденные состояния, связанные с уровнями Ландау из первой и второй подзон размерного квантования, а также резонансы, обусловленные ионизацией A+-центров.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-0216808, 04-02-17178), Российской академии наук, Министерства образования и науки РФ и ФЦП „Интеграция“ (проект № Б0039/2102).

В последние годы выполнен ряд исследований мел- теля в квантовой яме при приложении магнитного поля, ких акцепторов в гетероструктурах Ge/GeSi с кванто- обладает аксиальной симметрией, состояния носителей выми ямами (КЯ) [1–5]. В таких структурах благо- оказываются вырожденными (см., например, [10]) по даря встроенной деформации и размерному квантова- проекции момента на ось симметрии. При внесении примесного иона такое вырождение снимается: вознию происходит расщепление подзон легких и тяжелых никает набор дискретных примесных состояний. При дырок, в результате чего эффективные массы дырок этом в спектре примесного магнитопоглощения может уменьшаются. Вследствие этого энергии связи мелких наблюдаться очень сложная картина линий, связанная акцепторов оказываются значительно меньшими, чем с переходами между такими состояниями. Для детальв объемном Ge, в отличие от доноров, энергия связи ного описания примесных переходов в гетероструктурах которых возрастает по сравнению с объемным случаем Ge/GeSi с КЯ в магнитном поле и интерпретации резульиз-за дополнительного ограничения волновой функции татов эксперимента в работе развит численный метод потенциалом КЯ. Ранее мы продемонстрировали новый расчета, основанный на разложении волновой функции экспериментальный метод исследования мелких примеакцептора по базису из волновых функций дырок в КЯ в сей в полупроводниках путем измерения дифференциотсутствие магнитного поля.

ального примесного магнитопоглощения в терагерцевом диапазоне при модулированном межзонном фотовозбуждении носителей заряда [6–8]. В настоящей работе дан1. Эксперимент ный метод применяется для определения типов мелких акцепторных центров, которые вносят вклад в наблюВ настоящей работе представлены результаты исследаемое магнитопоглощение в терагерцевом диапазоне в дований спектров субмиллиметрового магнитопоглощегетероструктурах Ge/GeSi. Как известно, в энергетичения двух гетероструктур Ge/Ge1-xSix, выращенных на ском спектре мелкого примесного центра в КЯ имеются низколегированных подложках Ge(111) методом газосостояния, относящиеся к различным подзонам разтранспортной эпитаксии. Обе структуры состояли из мерного квантования [9]. При приложении магнитного 162 КЯ Ge, разделенных барьерами GeSi. Структуры поля перпендикулярно плоскости слоев гетероструктуры имели следующие параметры: для № 306 x = 0.12, подзоны размерного квантования электронов или дырок dGe = 200, dGeSi = 260, xx = 2.2 · 10-3, для № распадаются на серии уровней Ландау. В случае доноров x = 0.09, dGe = 350, dGeSi = 150, xx = 4.4 · 10-4.

уровни, относящиеся к различным подзонам размерного Полная толщина обеих структур превышала критичеквантования, не взаимодействуют друг с другом. Для скую, поэтому на границе подложка/гетероструктура акцепторов ситуация более сложная: „замешивание“ в происходила релаксация упругих напряжений. В резульгамильтониане Латтинжера движения вдоль направле- тате этого слои Ge оказывались двуосно-растянутыми ния роста структуры с поперечным движением приводит (xx — величина двуосной упругой деформации, опрек взаимодействию дырочных состояний, относящихся к деленная методом рентгеновской дифракции), а слои различным подзонам размерного квантования. Отметим, GeSi — двуосно-сжатыми. Структуры специально не что, если гамильтониан, описывающий движение носи- легировались, концентрация остаточных акцепторов соМелкие акцепторы в гетероструктурах Ge/GeSi с квантовыми ямами в магнитном поле 2 ставляла порядка 1014 cm-3 [1]. Во избежание появления (1(z ) - 3(z )) k + k + k (1(z )+23(z ))k x y z z эффектов интерференции микроволнового излучения в G = 2mобразцах подложки шлифовались на клин с углом 2.

Образцы располагались в центре сверхпроводящего соd(z ) eB (zz - - xx) ± + V (z ), (4) леноида в криомагнитной вставке, которая помещалась 4m0c в транспортный гелиевый сосуд Дьюара СТГ-40. ИзмеH = рения спектров поглощения проводились при T = 4.2K при постоянной частоте излучения и развертке магнит 1 ного поля. В качестве источников излучения использо -i (22+ 3)k (k - i ky )+ i (2- 3)(k + i ky )z x x вались лампы обратной волны (ЛОВ), перекрывающие, 2mдиапазон частот 300-1250 GHz. Свободные носители (5) в образце создавались излучением арсенид-галлиевого (+23) светодиода ( 0.9 µm). Прошедшее через структуру (k - i k )2 + (2 - 3)k (k + i ky ) x y z x излучение детектировалось кристаллом n-InSb. БольI = 2 3.

2mшинство измерений проводилось при модуляции излуче(6) ния меандром с частотой 1 kHz и применения стандартной схемы синхронного детектирования. Проводились eB eB Здесь k = kx + i, k = ky - i, k = -i, x 2 c ky y 2 c kx z z также измерения с временным разрешением сигнала при 1, 2, 3, — параметры Латтинжера, зависящие от маиспользовании импульсного оптического возбуждения.

териала, d — постоянная деформационного потенциала В этом случае регистрация импульсного сигнала как валентной зоны, i j — компоненты тензора деформации, функции магнитного поля осуществлялась многоканальm0 — масса свободного электрона, B — напряженность ным цифровым осциллографом „Tektronix“ TDS3034B.

магнитного поля, V — потенциал КЯ. Векторный потенциал был выбран в виде A = [B r], фигурные скобки обозначают антикоммутатор {3kz } = 3kz + kz 3.

2. Метод расчета В импульсном представлении оператор кулоновского Для расчета спектра мелкого акцептора необходимо потенциала, являющийся диагональной матрицей, имеет решить уравнение эффективной массы с гамильтониа- интегральный вид ном, выбранным в виде суммы кинетической энергии (гамильтониан Латтинжера, зависящий от магнитного e(s) (s,s) поля), потенциальной энергии дырки в КЯ, члена, описы- V (k, z ) =- dk d (k,, z ) k вающего эффекты деформации, и энергии кулоновского 0 взаимодействия с заряженным акцептором. Магнитное exp -|z | (k - k)2 + 2k k(1 - cos ) поле полагалось направленным вдоль оси роста струк, (7) туры, которая принималась за ось z.

(k - k)2 + 2k k(1 - cos ) Уравнение эффективной массы записывалось в предгде — угол между векторами k и k, — диэлекставлении двумерных импульсов. Волновая функция трическая проницаемость полупроводника, e — заряд акцепторного состояния в импульсном представлении электрона.

имеет вид Как и ранее [3], использовалось аксиальное приближе(s) (s) ние, т. е. пренебрегалось анизотропией закона дисперсии (k, z ) = (, z ) exp(-ik)d2, (1) k дырок в плоскости КЯ. Для этого в недиагональных элементах гамильтониана Латтинжера (в выражениях (5) где s = 1,..., 4 — номер компоненты волновой функи (6)) были опущены слагаемые, пропорциональные ции дырки. Гамильтониан, описывающий движение дыр(2-3). В аксиальном приближении сохраняется проки в КЯ в присутствии магнитного поля, в таком екция полного момента J на нормаль к КЯ. В таком представлении принимает вид приближении зависимость волновой функции акцептора (s) F H I (k, z ) от направления волнового вектора k, характеk H G 0 I ризующегося углом имеет простой вид HL =, (2) I 0 G -H 0 I -H F (s) (s) (k,, z ) = (k, z ) exp i J + s -. (8) k k где 2 Волновую функцию акцептора искали в виде разло(1(z ) +3(z )) k + k + k (1(z ) - 23(z ))k x y z z F = жения по базису из волновых функций дырок в КЯ в 2mотсутствие магнитного поля и примесного иона. Это разложение подставлялось в уравнение эффективной массы d(z ) 3 eB + (zz - xx) ± + V (z ), (3) с гамильтонианом (2) и кулоновским потенциалом (7), 4m0c Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 76 В.Я. Алешкин, А.В. Антонов, Д.Б. Векслер, В.И. Гавриленко, И.В. Ерофеева, А.В. Иконников...

в результате чего получали интегродифференциальное уравнение для коэффициентов разложения. Полученное уравнение решали, заменяя производные конечными разностями, а интеграл по k в выражении (7) — дискретной суммой, обрывая ее при значениях k, много больших обратного боровского радиуса, аналогично [3].

3. Результаты и обсуждение На рис. 1 представлены сводные данные по положению наблюдаемых спектральных линий магнитопоглощения в структуре № 306. Линии CH1 и Chвпервые наблюдались в работах [11–13]; они связаны с циклотронными переходами между нижними уровнями Рис. 1. Сводные данные по положению наблюдаемых Ландау дырок 0s1 1s1 и 3a1 4a1 соответственно спектральных линий магнитопоглощения (I) в структуре (см. вставку на рис. 1). Слева от основной линии циклоGe/Ge0.88Si0.12 № 306 (dGe = 200 ) и результаты расчета тронного резонанса (ЦР) CH1 (т. е. со стороны меньших энергий оптических переходов между состояниями акцептора, магнитных полей) в различных образцах Ge/GeSi на- помещенного в центр барьера GeSi (сплошные линии 1–3), и уровнями Ландау дырок в квантовой яме (штриховые либлюдается до трех линий магнитопоглощения, которые нии CH1 и Ch1). II — данные измерений фотопроводимости. На связываются с переходами с участием мелких примесей, вставке показаны уровни Ландау дырок, переходы между котоа именно акцепторов, что подтверждается, в частности, рыми соответствуют линиям CH1 и Ch1; сплошные линии — поляризационными измерениями [6–8]. Как видно из нижний уровень Ландау, соответствующий проекции момента рис. 1, положения линий CI1 и CI2 не экстраполируJ = -3/2 на ось z (0s1 по классификации [5]), и нижний ются к началу координат в отличие от линий ЦР. Науровень с J = -1/2 (1s1 [5]); штриховые линии — нижний блюдение магнитопоглощения мелких акцепторов при уровень Ландау дырок с J =+3/2 (3a1 по классификации [5]) модулированной межзонной подсветке становится вози нижний уровень Ландау дырок с J =+5/2 (4a1 [4]).

можным вследствие захвата носителей ионизованными примесями, которые всегда присутствуют в образце из-за частичной компенсации основной примеси (акдырок в КЯ. Типичные энергии связи акцепторов в цепторов) донорами (см., например, [1]). Линия CI1 в гетероструктурах Ge/GeSi составляют 7-8 и 2 meV для образце № 306a впервые наблюдалась в работах [11–13], центра КЯ и центра барьера соответственно [8], т. е. пеоднако из-за сильного перекрытия с линией CH1 ее реходы с участием акцепторов, расположенных в центре спектральное положение было определено недостаточно КЯ, находятся за пределами диапазона энергий квантов точно. В данных исследованиях за счет уменьшения излучения, доступного для исследований с помощью интенсивности межзонной подсветки нам удалось сузить ЛОВ (такие переходы наблюдались при измерении фолинии и улучшить спектральное разрешение [14]. На топроводимости с помощью Фурье-спектрометра [1]).

рис. 1 кроме данных по магнитопоглощению представлеВ настоящей работе мы впервые наблюдали в образце ны положения линии CI2, которые были определены на № 306a две примесные линии магнитопоглощения CIосновании измерений спектров субмиллиметровой фои CI2 в „низкочастотном“ диапазоне, что позволило топроводимости с помощью ЛОВ [4] и методом Фурье„различить“ поглощение на A+-центрах и A0-центрах, спектроскопии [1]. Ранее мы связывали данную линию расположенных в барьере.

либо с фотоионизацией A+-центров, либо с переходом Для интерпретации наблюдаемых линий магнитопо1s 2p+ для нейтральных акцепторов (A0-центров), глощения в гетероструктурах Ge/GeSi были рассчирасположенных в барьере. Известно, что энергия связи нейтральной примеси достигает максимального и мини- таны энергии состояний акцепторов, соответствующих мального значений в центре КЯ и в центре барьера со- определенным значениям проекции полного момента ответственно. В случае однородно легированной струк- на ось роста структуры J. Основной уровень акцептотуры в спектрах поглощения (или фотопроводимости) ра расщепляется в магнитном поле на два состояния будут присутствовать два пика, соответствующие приме- с моментами ±3/2, из которых нижним (основным) сям, расположенные в центре КЯ (высокочастотный пик) является состояние с проекцией момента J = -3/2.

и в центре барьера (низкочастотный пик) (для доноров Ранее в работе [5], где использовалось другое разложев GaAs/AlGaAs см., например, [15]). Отметим, что при ние акцепторных волновых функций (по собственным перемещении примесного иона в барьер сохраняются функциям дырок в магнтином поле, т. е. по функцилокализованные состояния дырок с энергией ниже дна ям, соответствующим уровням Ландау), было показано, нижней подзоны размерного квантования. Такие акцеп- что в спектрах примесного поглощения доминируют торные состояния формируются из состояний свободных переходы с основного состояния (связанного с нижним Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Мелкие акцепторы в гетероструктурах Ge/GeSi с квантовыми ямами в магнитном поле уровнем Ландау 0s1) на состояния с проекцией момента J = -1/2, а в сильном магнитном поле „выживает“ лишь один из них на состоянии, связанном с первым уровнем Ландау 1s1, т. е. происходит переход типа 1s 2p+. Поэтому в дальнейшем мы ограничились детальным изучением переходов с основного состояния на состояния с J = -1/2.

На рис. 1 представлены результаты расчетов энергий циклотронных переходов 0s1 1s1 и 3a1 4a1 (резонансы CH1 и Ch1) (штриховые линии) и применых переходов с основного уровня (J = -3/2) акцептора, помещенного в центр квантового барьера в гетероструктуре № 306, на возбужденные состояния, соответствующие J = -1/2 (сплошные линии). Линии 1 и 2 отвечают переходам на акцепторые состояния, относящиеся к первым уровням Ландау в первой и второй подзонах Рис. 2. Типичный спектр магнитопоглощения в гетерострукразмерного квантования (1s1 и 1a2), т. е. переходам туре Ge/Ge0.91Si0.09 № 308 (dGe = 350 ) (1). Точки — времена типа 1s 2p+. Линия 3 соответствует переходу на релаксации, полученные с помощью осциллограмм сигнала состояние акцептора, связанного со вторым уровнем магнитопоглощения при импульсной подсветке.

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.