WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Электронные состояния и колебательные спектры сверхрешеток квантовых точек CdTe/ZnTe © В.С. Багаев, Л.К. Водопьянов, В.С. Виноградов, В.В. Зайцев, С.П. Козырев, Н.Н. Мельник, Е.Е. Онищенко, Г. Карчевский Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Институт физики Польской академии наук, 02-668 Варшава, Польша E-mail: evgeny@lebedev.ru Методами оптической спектроскопии (фотолюминесценция в широком интервале температур, ИК-отражение и комбинационное рассеяние света) исследованы электронные и колебательные состояния в сверхрешетках квантовых точек CdTe/ZnTe. Обсуждается изменение спектра люминесценции структур в зависимости от толщины барьерного слоя ZnTe. Предполагается, что люминесценция электронно-связанных островков вследствие особенностей зонной структуры гетеропары CdTe/ZnTe обусловлена пространственно непрямыми экситонами. В спектрах комбинационного рассеяния обнаружена ранее не наблюдавшаяся комбинация колебательных мод квантовых точек. Анализ спектров решеточного ИК-отражения показывает, что если для структур с большими толщинами барьеров между плоскостями квантовых точек упругие напряжения сосредоточены в слоях Zn1-x CdxTe, то в структурах с меньшей толщиной барьера имеет место более сложная картина распределения упругих напряжений.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-02-16854 и 03-02-17110), а также Комиссии РАН по работе с молодыми учеными.

1. Структуры c множественными плоскостями кван- ры (направление z ) при осях образца x [100], y [010] товых точек (КТ), иногда называемые сверхрешетка- и z [001] (согласно правилам отбора, для такой конми квантовых точек (СРКТ), были выращены методом фигурации резрешено рассеяние только на продольных молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs оптических фононах).

(100). На подложку наносился буферный слой CdTe 2. Cпектры люминесценции СРКТ с толщинами батолщиной 4.5 µm, на который затем наращивалась СРКТ, рьерных слоев ZnTe 12, 25 и 75 МС (B12, B25 и Bсостоящая из 200 периодов слоев CdTe с номинальной соответственно) при 5 K представлены на рис. 1. Если ростовой толщиной 2.5 монослоя (МС), разделенных спектр люминесценции структуры B75 практически не барьерами ZnTe с толщиной, меняющейся от 12 до отличается от спектров люминесценции структур с оди75 МС. Выращенные структуры исследовались метоночными плоскостями КТ CdTe/ZnTe при сопоставимой дом просвечивающей электронной микроскопии (JEOL номинальной толщине слоя CdTe (см., например, [2]), 2000EX с разрешением 0.27 nm). Анализ изменений то по мере уменьшения толщины барьерного слоя СdTe решеточных параметров в направлении роста показал, ситуация существенном меняется. При толщине барьерчто отдельный слой КТ представляет собой слой тверного слоя 25 МС наблюдается значительное (более чем дого раствора Zn1-xCdxTe, в котором имеются области в 2 раза) сужение линии люминесценции по сравнению (островки) диаметром 6–10 nm и толщиной около 2 nm (КТ) с повышенным содержанием кадмия. Обнаружено, что при толщине барьерного слоя ZnTe менее 25 MC проявляется корреляция в расположении КТ в соседних слояx [1].

Измерения спектров фотолюминесценции проводились в интервале температур 5–150 K. Оптическое возбуждение производилось He–Cd-лазером (длина волны 4416 ). Спектр анализировался двойным монохроматором ДФС-24 с предельным разрешением не хуже 0.1.

Спектры решеточного ИК-отражения при 300 K регистрировались на Фурье-спектрометре фирмы „Bruker“ IFS-55 со спектральным разрешением не хуже 1 cm-1.

Спектры комбинационного рассеяния измерялись на спектрометре U-1000 в геометрии обратного рассеяния при возбуждении различными линиями Ar2+-лазера.

Спектральное разрешение составляло 1 cm-1. Рассеян- Рис. 1. Спектры фотолюминесценции СРКТ с толщинами ный свет анализировался в направлении роста структу- барьерного слоя ZnTe 12, 25 и 75 МС.

172 В.С. Багаев, Л.К. Водопьянов, В.С. Виноградов, В.В. Зайцев, С.П. Козырев, Н.Н. Мельник...

со случаем изолированных слоев. Предположительно дробный анализ температурных зависимостей люминесэто обусловлено уменьшением разброса размеров обра- ценции СРКТ CdTe/ZnTe будет проведен в отдельной зующихся КТ при росте структур с большим числом работе.

слоев КТ (данный эффект впервые наблюдался для 3. При формировании КТ происходит перестройка не СРКТ SiGe/Si [3]). При уменьшении толщины барьера только электронного, но и фононного спектра, что продо 12 МС в спектре люминесценции появляется допол- является в спектрах комбинационного рассеяния света.

нительная полоса, обусловленная излучением экситонов, На рис. 2 приведены спектры комбинационного рассеялокализованных на коррелированных островках в сосед- ния структур B12, B25 и B75, полученные при возбуждених плоскостях КТ. нии линией 4880. Обсудим для примера кривую для Энергия активации гашения люминесценции, опре- СРКТ с шириной барьеров 25 MC. В спектре проявляются три полосы комбинационного рассеяния. Высокочаделенна по зависимости интегральной интенсивности стотная полоса при 201 cm-1 относится к LO-моде ZnTe, люминесценции СРКТ от температуры, последовательно но с уменьшенной на 2 cm-1 частотой (по сравнению с уменьшается по мере убывания толщины барьерного невозмущенным ZnTe). Две другие наблюдаемые полосы слоя ZnTe (от более чем 60 meV для структуры Bдо менее 30 meV для структуры B12). Наиболее ин- комбинационного рассеяния попадают в область колебательных возбуждений CdTe. Однако заметно отсутствие тересный результат, обнаруженный при исследовании температурных зависимостей люминесценции СРКТ, де- полосы комбинационного рассеяния, соответствующей LO-моде CdTe при 171 cm-1. Проявляющаяся в спектре монстрирует структура B12: гашение люминесценции полоса 139 cm-1 близка к TO-моде CdTe (140 cm-1), с ростом температуры происходит быстрее в случае но активна в комбинационном рассеянии. Интенсивная электронно-связанных островков (уже при повышении температуры до 80 K в спектре остается только ли- низкочастотная полоса при 126 cm-1 представляется весьма необычной для структур на основе соединений ния люминесценции, обусловленная изолированными II–VI. Следует отметить, что наблюдаемый спектр комостровками Zn1-xCdx Te). Такая странная на первый бинационного рассеяния имеет резонансный характер.

взгляд ситуация (глубина уровня энергии в случае Так, спектр того же образца с 25 МС, полученный при связанных островков больше, чем для изолированных), возбуждении линией 5145, повторяет основные черты по-видимому, объясняется особенностью зонной струкспектра при 4880, но имеет гораздо меньшую интентуры гетеропары Zn1-xCdx Te/ZnTe. Для этой гетеропасивность. При сравнении спектров различных структур ры скачок потенциала в валентной зоне практически можно заметить, что с увеличением толщины барьерполностью определяется напряжениями, обусловленныного слоя ZnTe все наблюдаемые полосы комбинационми различием параметров решетки двух материалов.

ного рассеяния сдвигаются в сторону меньших энергий.

В структурах с малыми расстояниями между слоями Это объясняется уменьшением средней по объему всей КТ вследствие наличия напряжений в барьерном слое структуры постоянной решетки.

ZnTe (см. раздел 3) возможно образование непрямого Детальный анализ полученных данных проведен в в пространстве экситона. Мы полагаем, что подобная работе [5]; здесь мы лишь вкратце остановимся на ситуация реализуется в случае электронно-связанных основных выводах. Колебательные моды с частотами в островков: напряжения в барьерном слое ZnTe максиобласти 140 и 120 cm-1 отождествлены с симметричной мальны именно в области между двумя КТ CdTe, что мокулоновской (интерфейсной) модой КТ и с симметричжет обусловливать возникновение потенциальной ямы ной модой „плененных“ в КТ фононов соответственно.

для легкой дырки в этой области. В определенном отношении схожая ситуация наблюдалась в сверхрешетках GaAs/AlAs [4], где локальные изменения толщины слоев GaAs и AlAs приводили к изменению типа структуры (в областях с большей толщиной слоя GaAs излучение было обусловлено прямыми экситонами, в то время как в целом излучение структуры определялись непрямыми экситонами).

Потенциальная яма для дырки, обусловленная упругими напряжениями и кулоновским взаимодействием с электроном (для которого в структурах Zn1-xCdxTe/ZnTe существует достаточно глубокая потенциальная яма в слое Zn1-xCdxTe), достаточно мелка, а характерное время излучательной рекомбинации непрямого экситона существенно превышает время излучательной рекомбинации прямого экситона. Оба эти фактора должны приводить к тому, что с ростом темпеРис. 2. Спектры комбинационного рассеяния структур B12, ратуры будет происходить достаточно быстрое гашение B25 и B75 (для наглядности спектры смещены по оси ордилюминесценции электронно-связанных островков. По- нат).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Электронные состояния и колебательные спектры сверхрешеток квантовых точек CdTe/ZnTe C изменением толщины барьерного слоя значения частоты сильной моды t1 изменяется от 172 до 176 cm-и в пределах ошибки измерения приближается к частоте поперечной моды t = 177 cm-1 чистого ZnTe.

Это означает, что в структуре B12 тонкие барьерные слои ZnTe сильно растянуты чередующимися с ними слоями Zn1-xCdxTe и толстым буферным слоем CdTe.

В структуре B75 барьерные слои уже достаточно толстые, чтобы в них завершилась релаксация упругих напряжений.

4. Итак, исследованы температурные зависимости спектров люминесценции СРКТ CdTe/ZnTe. Предполагается, что излучение электронно-связанных островков CdTe обусловлено пространственно непрямыми экситонами. Показано, что для структур с большими толРис. 3. Спектры решеточного ИК-отражения для структур щинами барьерных слоев ZnTe между плоскостями КТ B12 и B25. Экспериментальные точки представлены квадупругие напряжения сосредоточены в слоях Zn1-xCdxTe, ратами (B12) и кружками (B25), расчетные спектральные а для структур с меньшей толщиной барьера имеет кривые — сплошными линиями. Для наглядности спектр место более сложная картина распределения упругих структуры B25 смещен по оси ординат на 0.2.

напряжений. В спектрах комбинационного рассеяния обнаружена ранее не наблюдавшаяся комбинация колебательных мод КТ.

Ранее такая комбинация мод в структурах с КТ не наблюдалась.

Список литературы Из-за наличия толстого буферного слоя CdTe наблюдение колебательных возбуждений непосредственно в [1] S. Mackowski, G. Karczewski, T. Wojtowicz, J. Kossut, S. Kret, КТ в спектрах ИК-отражения затруднено. Однако эти A. Szczepanska, P. Dluzewski, G. Prechtl, W. Heiss. Appl. Phys.

спектры позволяют получить информацию об упругих Lett. 78, 3884 (2001).

напряжениях в исследуемых структурах. На рис. [2] В.В. Зайцев, В.С. Багаев, Е.Е. Онищенко. ФТТ 41, представлены спектры отражения структур B12 и B25. (1999).

Полоса отражения в окрестности 270 cm-1 соответ- [3] J. Tersoff, C. Teichert, M.G. Lagally. Phys. Rev. Lett. 76, (1996).

ствует области остаточных лучей подложки GaAs, а [4] D. Luerssen, A. Oehler, R. Bleher, H. Kalt. Phys. Rev. B 59, особенности спектра в окрестности 140 и 170 cm-1 — 19 862 (1999).

CdTe- и ZnTe-колебаниям буферного слоя и СРКТ.

[5] Л.К. Водопьянов, В.С. Виноградов, Н.Н. Мельник, Г. КарМатематическая обработка экспериментального спекчевский. Письма в ЖЭТФ 77, 171 (2003).

тра проводилась методом дисперсионного анализа с использованием модельной структуры, образованной тонкой пленкой (СРКТ и буферный слой) на полубесконечной подложке. Рассчитанная частота решеточной моды GaAs для подложки с осажденным на нее буферным слоем СdTe толщиной 4.5 µm составляет 267 cm-1, что на 3cm-1 меньше значения решеточной моды объемного кристалла GaAs, а параметр затухания для этой моды равен 8 cm-1.

Наиболее интересный эффект проявляется при исследовании моды ZnTe-колебаний в зависимости от толщины барьерного слоя в структурах. На основе дисперсионного анализа установлено, что для структуры B12 с наиболее тонким (12 МС) барьерным слоем ZnTe-колебания характеризуются одной сильно модой t1 = 172 cm-1.

Для структуры B25 частота сильной моды повышается до t1 = 173.5cm-1 и появляется дополнительная мода t2 = 169 cm-1. Для структурыB75 (на рис. 3 не показана), в которой слои Zn1-xCdxTe разделены барьерными слоями ZnTe толщиной 75 МС, ZnTe-колебания определяются двумя сравнимыми по силе осциллятора модами t1 = 176 cm-1 и t2 = 165 cm-1.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.




© 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.