На правах рукописи

Николаев Сергей Николаевич

Электронный спектр многофазной системы

неравновесных носителей заряда и условия

возникновения коллективных эффектов

в полупроводниковых квантоворазмерных

гетероструктурах

01.04.21 – Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте (государственном университете).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, Багаев Виктор Сергеевич Соруководитель: кандидат физико-математических на­ ук, Кривобок Владимир Святославович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Андреев Борис Александрович доктор физико-математических наук, профессор, Витухновский Алексей Гри­ горьевич

Ведущая организация: Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка

Защита состоится « 25 » ноября 2011 г. в 10 часов на заседа­ нии диссертационного совета Д 212.156.07 при Московском физико-тех­ ническом институте (ГУ), расположенном по адресу: 141700, МО, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико­ технического института.

Автореферат разослан « » 2011 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент С. М. Коршунов

Общая характеристика работы

Актуальность работы Изучение физических процессов, протекающих в сильнокоррели­ рованных системах пониженной размерности, является одной из ключе­ вых проблем, успешное решение которой определяет прогресс современ­ ных нанотехнологий в области полупроводниковой оптоэлектроники и лазерной физики. В частности, исследование коллективных эффектов в неравновесной электронно-дырочной системе объемных полупровод­ ников и полупроводниковых наноструктур необходимо для получения качественных и количественных данных используемых при разработке оптоэлектронных устройств. Не решенной фундаментальной задачей, связанной с этими исследованиями, является описание сильнокоррели­ рованных систем взаимодействующих фермионов в условиях понижен­ ной размерности.

Коллективные взаимодействия неравновесных носителей заряда и экситонов в полупроводниковых кристаллах широко и подробно ис­ следовались начиная с 70-х годов. За последние годы этой проблеме посвящено огромное количество теоретических и экспериментальных работ, где с учетом индивидуальных характеристик объемных полу­ проводниковых кристаллов изучены различные многочастичные состо­ яния в неравновесной электронно-дырочной системе и связанные с ни­ ми фазовые переходы. В частности, для целого ряда кристаллов экс­ периментально обнаружено образование электронно-дырочной жидко­ сти (ЭДЖ)[Электронно-дырочные капли в полупроводниках, 1988] ме­ таллического типа, а также вырожденной электронно-дырочной плаз­ мы (ЭДП) и подробно исследованы условия их возникновения и свой­ ства. Тем не менее, даже в случае объемных кристаллов остается нере­ шенным широкий круг вопросов, касающихся, например, природы низ­ кочастотного размытия спектров излучения ЭДЖ и ЭДП в полупро­ водниках, как с прямой [Hildebrand et al., 1978], так и непрямой ще­ лью [Landsberg, 1967], возможности образования второй конденсирован­ ной фазы и ее свойств [Smith, Wolfe, 1995], исследований конкурирую­ щих многочастичных эффектов, осложняющих экспериментальное на­ блюдения ЭДЖ в некоторых бинарных соединениях [Багаев В. С. и др., 2005] и т.д.

В ранних теоретических работах было показано, что у ряда мо­ дельных квазиодномерных и квазидвумерных систем, общей чертой ко­ торых является сильная анизотропия электронного спектра, возможна дополнительная стабилизация конденсированного состояния, по срав­ нению с трехмерным случаем. Кроме того, ввиду изменения характера экранировки кулоновского взаимодействия в таких системах и усиле­ ния вклада в коллапс экситонов фактора заполнения электронных и дырочных состояний [Peyghambarian et al., 1984, Hulin et al., 1986, H., Reinholz, 2002, Leon Ben-Tabou de, Laikhtman, 2003, Cingolani et al., 1996, Lozovik, Berman, 1997], исследования фазовых переходов в системах с пониженной размерностью представляют особый интерес.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании фазо­ вых переходов в электронно-дырочной системе с пониженной размерно­ стью, определении условий образования и основных свойств коллектив­ ных состояний.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1. Был произведен выбор оптимальных для изучения коллективных состояний параметров структур Si1 Ge /Si;

2. Исследованы экситонные состояния в квантовых ямах и слоях кремния и условия перехода «экситонный газ — плазма» в квази­ двумерной системе;

3. Проведено исследование коллективных состояний методами ста­ ционарной и разрешенной по времени низкотемпературной фото­ люминесценции, а также 2 люминесценции при различных тем­ пературах и плотностях мощности лазерного возбуждения;

4. На основе модели квазидвумерной плазмы, разработана методи­ ка для описания формы линии излучения электронно-дырочной жидкости в ИК и 2 спектрах с учетом однородного уширения.

Научная новизна 1. Обнаружена двумерная электронно-дырочная жидкость в кванто­ вых ямах SiGe/Si с низким (< 7%) содержанием германия;

2. Исследовано влияние барьера для электронов на свойства фазово­ го перехода «экситонный газ — ЭДЖ»;

3. В спектрах 2 люминесценции обнаружен новый канал рекомби­ нации, предположительно, связанный с излучением заряженных многоэкситонных комплексов.

Практическая значимость Результаты, изложенные в диссер­ тации, могут быть использованы для конструирования и разработки оптоэлектронных устройств, совместимых с кремниевой технологией На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Обнаружено образование электронно-дырочной жидкости в кван­ товых ямах Si1 Ge /Si шириной 5 нм и определена критическая для конденсированной фазы концентрация германия = 7%.

2. Основные характеристики ЭДЖ в квантовой яме с содержанием германия 5 % имеют следующие значения: равновесная концентра­ ция носителей 1012 см2, критическая температура = 25 К, работа выхода из ЭДЖ = 0,8 мэВ, время жизни носителей 3. Работа выхода из ЭДЖ на пару частиц монотонно увеличивается при понижении содержания германия в слое твердого раствора и достигает 6 мэВ при = 2,9%.

4. Расчет формы линии ЭДЖ в 2 спектрах, основанный на модели квазидвумерной плазмы с учетом однородного уширения, находит­ ся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

5. Обнаруженный в 2 спектрах новый канал рекомбинации наблю­ дается в температурном диапазоне 5–32 К и сохраняет спектраль­ ное положение своей линии излучения неизменным.

Апробация работы Основные результаты диссертации докла­ дывались на следующих конференциях:

1. 29th International Conference on the Physics of Semiconductors, Rio de Janeiro (Brazil), 27 July–1 August 2008.

2. XII школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», Зве­ нигород, 23–27 ноября, 2008.

3. 51-я научная конференции МФТИ «Современные проблемы фун­ даментальных и прикладных наук», Москва— Долгопрудный, но­ 4. XIII международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектрони­ ка», Нижний Новгород, 16–20 марта, 2009.

5. IX Российская конференция по физике полупроводников, Новоси­ бирск— Томск, 2009.

6. 52-я научная конференции МФТИ «Современные проблемы фун­ даментальных и прикладных наук», Москва— Долгопрудный, но­ 7. XIV международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектрони­ ка», Нижний Новгород, 15–19 марта, 2010.

8. 53-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фун­ даментальных и прикладных наук», Москва— Долгопрудный, 2010.

9. XIII школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», Зве­ нигород, 14–19 ноября, 2010.

10. XV международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектрони­ ка», Нижний Новгород, 14–18 марта, 2011.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 печат­ ных работах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах, 4 статьи в сборниках трудов конференций и 7 тезисов докладов.

Список публикаций:

1. В. С. Багаев, В. В. Зайцев, В. С. Кривобок и др. Каналы излуча­ тельной рекомбинации и фазовые переходы в системе неравновес­ ных носителей в тонкой квантовой яме Si0,93 Ge0,07 /Si // ЖЭТФ.

2008. — 11. Т. 134, No 5. С. 988–994.

2. С. Н. Николаев, В. С. Кривобок, А. Ю. Клоков, В. С. Багаев. Си­ стема для регистрации слабых световых сигналов с наносекунд­ ным временным разрешением // ПТЭ. 2009. Т. 52. С. 121–124.

3. Bagaev V. S., Krivobok V. S., Nikolaev S. N. et al. Observation of the electronhole liquid in Si1 Ge /Si quantum wells by steady-state and time-resolved photoluminescence measurements // Phys. Rev. B.

2010. — Sep. Vol. 82, no. 11. P. 115313.

4. В. С. Багаев, В. С. Кривобок, С. Н. Николаев и др. Влияние ба­ рьера для электронов на конденсацию экситонов и спектр многоча­ стичных состояний в квантовых ямах SiGe/Si // Письма в ЖЭТФ.

Личный вклад автора Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад ав­ тора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссер­ танта был определяющим. Все представленные в диссертации результа­ ты получены лично автором.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из вве­ дения, обзора литературы, 4 глав, заключения, библиографии и прило­ жения. Общий объем диссертации 120 страниц, из них 102 страницы текста, включая 34 рисунка и 6 таблиц. Библиография включает наименований на 14 страницах.

Выражаю искреннюю благодарность:

Моим научным руководителям, доктору физико-математических наук, профессору Багаеву Виктору Сергеевичу, кандидату физико-мате­ матических наук Кривобоку Владимиру Святославовичу за постоянное внимание и помощь в работе;

Кандидату физико-математических наук Новикову Алексею Ви­ тальевичу и всему коллективу лаборатории молекулярно-пучковой эпи­ таксии кремний-германиевых структур ИФМ РАН за предоставленные образцы и большой интерес к работе;

Кандидату физико-математических наук Мартовицкому Виктору Петровичу за структурную характеризацию образцов методами высоко­ разрешающей рентгеновской дифрактометрии и рефлекторметрии;

Члену-корреспонденту РАН, доктору физико-математических на­ ук Сибельдину Николаю Николаевичу, Бурбаеву Тимуру Маруановичу, Скорикову Михаилу Львовичу и другим сотрудниками Отделения фи­ зики твердого тела ФИАН за плодотворное обсуждение результатов;

А также коллективу Лаборатории низкоразмерных систем и струк­ тур ОФТТ ФИАН за помощь и интерес к работе.

Содержание работы Во Введении обоснована актуальность диссертационной рабо­ ты, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследо­ ваний, представлены выносимые на защиту научные положения.

В обзоре литературы дано краткое описание основных физиче­ ских принципов, необходимых для описания электронно-дырочной си­ стемы в объемном кремнии и в слоях твердого раствора Si1 Ge /Si.

Рассмотрение начинается с особенностей зонной структуры крем­ ния, в том числе дисперсии энергетических зон вблизи точек высокой симметрии. В приближении эффективных масс дано описание особен­ ностей изоэнергетических поверхностей электронов и дырок вблизи экс­ тремумов валентной зоны и зоны проводимости.

Далее по очереди рассмотрены основные многочастичные состоя­ ния, наблюдающиеся в спектрах люминесценции кремния. В спектрах фотолюминесценции продемонстрированы линии излучения, связанные с рекомбинацией свободных и локализованных на примеси экситонов, описаны основные физические характеристики этих каналов рекомбина­ ции. Показана связь фононных дисперсионных кривых и спектров фо­ толюминесценции. Приведено модельное представление и основные фи­ зические характеристики и отличительные свойства электронно-дыроч­ ной жидкости и электронно-дырочной плазмы, а также результаты тео­ ретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию фа­ зовых переходов «газ — жидкость» и «металл — диэлектрик».

Аналогично объемному кремнию, рассмотрена зонная структура напряженных пленок SiGe/Si. Приведены литературные данные о по­ ложении энергетических минимумов и эффективных массах электро­ нов и дырок в зависимости от концентрации германия в слое твердого раствора. Описаны результаты современных исследований, связанных с люминесцентными свойствами тонких пленок SiGe.

Проведен анализ современных работ, связанных с фазовыми пе­ реходами в низкоразмерных системах носителей заряда. Описаны ос­ новные результаты, полученные для структур на основе прямозонных и непрямозонных соединений. Отмечены вопросы, требующие дополни­ тельных, как теоретических, так и экспериментальных исследований.

В первой главе приведено описание исследуемых образцов и экспериментальных методик, применявшихся как для структурной ха­ рактеризации образцов, так и для регистрации спектров люминесцен­ ции.

Образы представляют собой структуры, состоящие из буферного слоя Si, тонкого (5–60 нм) эпитаксиального слоя твердого раствора SiGe с номинальным содержанием германия 2,9–15% и cap-слоя Si, выращен­ ные на кремниевой подложке. Рассмотрены механизмы релаксации на­ пряжения в слое твердого раствора такие, как образование дислокаций несоответствия и искажение плоскости фронта кристаллизации. Опи­ саны возможности рентгеновской дифрактометрии и рентгеновской ре­ флектометрии для исследования механизмов сброса напряжения и опре­ деления толщины и состава слоя SiGe. На рис. 1 приведены рефлекто­ метрические кривые для двух структур, на которых отмечена область с пониженной интенсивностью интерференционных максимумов. Эта об­ ласть соответствует деструктивной интерференции лучей, отраженных от поверхности и двух гетeрограниц Si-SiGe. По угловому положению пиков с пониженной интенсивностью можно с высокой ( 0,5 нм) точ­ ностью определить толщину слоя SiGe и оценить степень размытия его границ. Для всех образцов толщина слоя SiGe, измеренная таким ме­ тодом, совпадала с его номинальной ростовой толщиной, а степень раз­ мытия гетерограниц не превышала 1 нм. Далее приведены снимки атомно-силового микроскопа, демонстрирующие образование волнисто­ го рельефа и дислокационной сетки на поверхности образцов с тонким покровным слоем.

Вторая часть главы посвящена описанию экспериментальных уста­ новок для измерения спектров стационарной и разрешенной по време­ ни люминесценции в ближней инфракрасной области, а также спек­ тров так называемой 2 люминесценции1 в температурном диапазоне 1 2 люминесценцией называется излучение, которое наблюдается при од­ новременной рекомбинации двух электронов из противоположных долин зоны про­ водимости и двух дырок из валентной зоны.

В этом случае энергия кванта испускаемого света оказывается близка к удвоенной величине запрещенной зоны.

Рис. 1. Рефлектометрические кривые образцов с квантовыми ямами шириной 5 нм и различным содержанием германия. Наблюдаемая интерференционная картина связана с отражением рентгеновского излучения от поверхности об­ разца и от границ раздела SiGe/Si. На графиках отмечены углы дифракции при которых отражение от границ кватовой ямы подавляется, что приводит к понижению интенсивности интерференционных максимумов.

2–50 К. Приведены основные характеристики применявшихся лазерных источников излучения, монохроматоров и фотоприемников.

Во второй главе показана взаимосвязь структурных свойств образцов и их спектров низкотемпературной фотолюминесценции, про­ изведен выбор структур, подходящих для исследования спектров кол­ лективных состояний, и описаны особенности фотолюминесценции этих квантовых ям при низких плотностях возбуждения ( 0,01 Вт/см ).

В начале главы продемонстрировано влияние особенностей кристалли­ ческого строения слоев твердого раствора на спектры их люминесцен­ ции. Показано, что наличие неоднородностей распределения германия по толщине квантовой ямы может приводить к образованию несколь­ ких слоев твердого раствора с разным составом. В спектрах фотолю­ минесценции это проявляется в виде дублетной структуры. На спектры структур также влияет механизм релаксации напряжений в слое твер­ Рис. 2. Температурная зависимость спектров фотолюминесценции при низкой ( 10 мВт/см2 ) плотности мощности возбуждения и аппроксимация линии излучения свободных экситонов формулой (1).

дого раствора. Исходя из соображений однородности структуры и нали­ чия дефектов, для дальнейших исследований были отобраны квантовые ямы шириной 5 нм.

Предложен метод оценки положения дна экситонной зоны и его дисперсии в квантовой яме. Метод основан на анализе температурной зависимости спектров фотолюминесценции квантовых ям при низких плотностях возбуждения. На рис. 2 приведена температурная зависи­ мость тонкой структуры спектра излучения квантовой ямы в области TO/LO фононного повторения при плотности возбуждения 10 мВт/см.

Эта зависимость демонстрирует переход от излучения локализованных экситонов, которое наблюдается при низких температурах, к излуче­ нию свободных экситонов в квантовой яме. Линия излучения свобод­ ных экситонов претерпевает температурный сдвиг (0,06 мэВ/К) в ко­ ротковолновую сторону, связанный с флуктуациями потенциала. Форма линии излучения свободного экситона аппроксимировалась выражени­ Рис. 3. Экспериментальные результаты при температуре 35 К. a) Спектр ста­ цинарной фотолюминесценции в зависимости от плотности мощности возбуж­ дения (от 0,16 до 560 Вт/см2 ) б) Спады сигнала фотолюминесценции: 1, 2, 3 — в различных спектральных точках линии излучения квантовой ямы; 4 — сво­ бодный экситон в Si.

ем [Christen, Bimberg, 1990]:

где — параметр, характеризующий отклонение дна экситонной зоны от среднего значения 0, — эффективная температура экситонов и erf() — функция ошибок. Такой подход позволил определить 0 и оце­ нить масштаб флуктуаций.

Третья глава посвящена исследованию фазовых переходов «газ — жидкость» и «металл — диэлектрик» в одном из образцов с квантовой ямой Si0,95 Ge0,05 шириной 5 нм. Выбор образца определялся его высо­ ким структурным совершенством, а также интенсивностью и спектраль­ ным положением линий излучения квантовой ямы. На рис. 3 приведена зависимость спектров фотолюминесценции от плотности мощности воз­ буждения при температуре 35 К, демонстрирующая плавный переход от экситонного излучения к излучению плазмы. При промежуточных плотностях возбуждения 1–23 Вт/см наблюдается сосуществование эк­ ситонов и плазмы. Данные спектры демонстрируют нерезкий характер фазового перехода «экситонный газ — плазма».

Дополнительным аргументом в пользу приведенной выше интер­ претации служит результат измерения кинетики люминесценции кван­ товой ямы в различных спектральных точках при 35 К (рис. 3). Зави­ симость интенсивности низкотемпературной фотолюминесценции име­ ет характерный неэкспоненциальный спад на всех приведенных длинах волн и, кроме того, спады в разных спектральных точках не параллель­ ны друг другу. Это естественно для ЭДП ввиду изменения концентра­ ции носителей в ней.

Качественно иная картина наблюдается при уменьшении темпе­ ратуры до 5 К и ниже. В этом случае наблюдается стабилизация фор­ мы линии излучения из квантовой ямы при высоких накачках, а спад сигнала люминесценции близок к экспоненциальному с характерным временем 400 нс. Эти особенности указывают на постоянство концен­ трации носителей в плазменной фазе, что является признаком обра­ зования электронно-дырочной жидкости. Независимое доказательство существования конденсированной фазы в квантовой яме может быть получено на основе анализа спадов сигнала фотолюминесценции при 15 К, см. рис. 4. Параллельность спадов (1, 2, 3) указывает на неиз­ менность формы линии излучения через 950 нс после импульса воз­ буждения. Для детального анализа кинетики рекомбинации носителей в квантовой яме необходимо учесть захват в квантовую яме свободных экситонов из буфера. В условиях эксперимента скорость захвата экси­ тонов в квантовую яму пропорциональна их концентрации в объемном кремнии. В этом случае, если в квантовой яме существует несколько независимых каналов рекомбинации с постоянными времени, а кон­ центрация экситонов спадает экспоненциально с постоянной времени 0 950 нс, результирующий спад люминесценции будет представлять собой сумму экспонент с временами и 0 взятых с разными весами.

Анализ кривых 1, 2, 3, приведенных на рис. 4, показывает, что через 500 нс после импульса возбуждения каждая из них хорошо описы­ ваются суммой двух экспонент с постоянными времени 0 950 нс и 1 400 нс. Интересным эффектом, подтверждающим существование конденсированной фазы в квантовой яме, является появление «ступень­ ки» на кривой 4 (рис. 4) соответствующей сигналу фотолюминесценции от свободных экситонов. При наличии фазового расслоения на экситоны Рис. 4. Спады сигнала фотолюминесценции при температуре 15 К, записан­ ные в разных спектральных областях бесфононной линии излучения кванто­ вой ямы (см. вставку). Пунктир — аппроксимация спадов суммой двух экспо­ нент с временами 0 = 950 нс и 1 = 400 нс.

и конденсированную фазу эта «ступенька» является следствием «испа­ рения» конденсата, хорошо известным для объемных полупроводников.

В четвертой главе продемонстрировано влияние барьера для электронов на работу выхода, равновесную концентрацию и стабиль­ ность квазидвумерной конденсированной фазы, образующейся в кван­ товых ямах SiGe/Si.

На рис. 5 приведены фрагменты спектров низкотемпературной фотолюминесценции, демонстрирующие перестройку электронно-дыроч­ ной системы при температуре 10 К по мере уменьшения концентрации германия в слое SiGe. Для квантовых ям с = 9,6% и 13,8% регистриру­ ется только одна линия излучения. Это связано с наличием достаточно высокого барьера для электронов в слое SiGe. Это приводит к простран­ ственному разделению неравновесных носителей и образование конден­ сированный фазы оказывается невыгодным. В этом случае увеличение накачки сопровождается синим сдвигом излучения квантовой ямы.

Для каждой из структур с 6,9% удается зарегистрировать дублетную структуру, связанную с сосуществованием в квантовой яме конденсированной фазы и экситонного газа. При уменьшении концен­ трации германия с 9,6% до 6,9% сохраняется 2-й тип зонной диаграм­ мы, но происходит уменьшение высоты барьера для электронов, что подтверждается незначительным синим сдвигом линии излучения при температуре 5 К. При уменьшении концентрации германия уменьшает­ ся и высота барьера, увеличивая энергию связи на пару частиц в ЭДЖ.

В случае структур с 2,9–3,5%, в которых следует ожидать наимень­ шей высоты барьера, работа выхода достигает 6 мэВ, что значительно выше, чем в одноосно деформированном Si (3,8 мэВ).

Для изучения роли барьера в формировании спектра многоча­ стичных состояний в квантовой яме было проведено детальное иссле­ дование 2 спектра структуры с = 5% при различных температу­ рах и интенсивностях накачки. При плотности мощности 2 Вт/см конденсированная фаза наблюдается при аномально высоких темпера­ турах (25 К), несмотря на очень низкую энергию связи (0,8 мэВ). (см.

рис. 6) Данное явление объясняется влиянием квадрупольного отталки­ вания пространственно непрямых экситонов на химический потенциал газовой фазы и скорость испарения ЭДЖ. При уменьшении, критиче­ ская температура ЭДЖ уменьшается несмотря на увеличение энергии связи частиц в ней.

Рис. 5. Спектры низкотемпературной фотолюминесценции квантовой ямы Si1 Ge /Si с различным содержанием германия, отложенные от энергети­ ческого положения дна экситонной зоны. а) TO-фононное повторение ИК-спектров при температуре 10 К и = 0,2 Вт/см2. При 6,9% в спек­ трах появляется дублет, состоящий из линии свободного экситона и ЭДЖ; б) 2 спектры при температуре 2 К = 2 Вт/см2. Штриховая линия — теоре­ тическая аппроксимация экспериментальных данных 3,5% = 1,1 · 1012 см2, 5% = 9,7 · 1011 см2. При 6,9% форма кривой не описывается в рамках модели двумерной ЭДЖ Рис. 6. а) 2 спектры квантовой ямы с = 5% при плотности мощности возбуждения = 2Вт/см2 и различных температурах. Штриховая линия — аппроксимация излучения конденсированной фазы; б) Результат вычитания вклада конденсированной фазы из экспериментальных спектров на рис. 6а, демонстрирующий появление нового канала рекомбинации. Штриховая ли­ ния — аппроксимация коротковолнового спада формулой = / + 0.

Значения параметра, приведенные на рисунке, примерно вдвое превышают температуру решетки Для детального изучения коллективных эффектов был проведен теоретический анализ формы линии ЭДЖ в 2 спектрах, отсутству­ ющий в современной литературе. Для описания излучения ЭДЖ была использована модель двумерной электронно-дырочной плазмы, учиты­ вающая однородное уширение [Landsberg, 1967], описанная в приложе­ нии. Хорошее согласие экспериментальных и расчетных кривых для конденсированной фазы позволило подробно проследить особенности нестандартного канала рекомбинации в зависимости от температуры и плотности мощности возбуждения. Излучение данного многочастично­ го состояния наблюдается при температурах 5–32 К в спектрах люминесценции и спектрально смещено в коротковолновую область от­ носительно линии локализованных многоэкситонных комплексов. Этот канал характеризуется неизменным спектральным положением линии излучения, ее значительным низкочастотным размытием и экспоненци­ альным коротковолновым спадом, зависящим от плотности мощности возбуждения и температуры, и, предположительно, связан с рекомби­ нацией заряженных многоэкситонных комплексов.

В приложении предложена модель и развит математический аппарат, позволяющий определять основные термодинамические пара­ метры электронно-дырочной жидкости по ее форме линии в ИК и спектрах.

В Заключении сформулированы основные результаты и выво­ ды диссертации.

Основные результаты 1. Исследован электронный спектр многочастичных состояний и про­ демонстрирована возможность наблюдения фазовых переходов «газ — жидкость» и «металл — диэлектрик» в квазидвумерной системе на основе SiGe.

2. В узких (5 нм) квантовых ямах Si1 Ge /Si с низким ( 7%) содер­ жанием германия обнаружено образование электронно-дырочной жидкости (ЭДЖ), подтвержденное методами как стационарной, так и разрешенной по времени спектроскопии в ИК и видимой (2 спектры) области.

3. Обнаружено влияние зонной структуры образцов на такие свой­ ства ЭДЖ, как критическая температура, равновесная концентра­ ция и энергия связи на пару частиц.

4. Разработана модель для описания формы линии излучения кон­ денсированной фазы как в ИК, так и в 2 спектрах с учетом однородного уширения.

5. Обнаружены повышение стабильности и уменьшение работы вы­ хода из ЭДЖ при повышении концентрации Ge до 5–7%, связан­ ные с квадрупольным отталкиванием пространственно непрямых экситонов в структурах II рода.

6. Обнаружен новый канал рекомбинации, характеризующийся неиз­ менным спектральным положением линии излучения в 2 спек­ тре, ее значительным низкочастотным размытием и экспоненци­ альным коротковолновым спадом, зависящим от плотности мощ­ ности возбуждения и температуры.

Электронный спектр многофазной системы неравновесных носителей заряда и условия возникновения коллективных эффектов в полупроводниковых квантоворазмерных гетероструктурах

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 23.09.2011. Формат 60 841/16. Усл. печ. л. 1, Тираж 70 экз. Заказ № Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-техни­ ческий институт (государственный университет)»

Отдел оперативной полиграфии «Физтех-полиграф»

141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер.,