Сверхрешетки

11

Установлено, что проводимость таких структур изменяется при переходе барьерных слоев в ферромагнитное состояние и знак ее изменения определяется взаимной ориентацией намагниченностей соседних слоев EuS.

4.Для полупроводниковых СР обнаружено антиферромагнитное упорядочение магнитных слоев (намагниченности соседних слоев EuS направлены в противоположном направлении), обусловленное взаимодействием ферромагнитных слоев EuS через диамагнитные прослойки PbS и YbSe. Такое упорядочение наблюдается для необычно большого диапазона толщин прослоек узкозонного полупроводника PbS (от 0,4 до 40 нм) и широкозонного YbSe (от 1 до 3 нм), что существенно отличает полупроводниковые СР от металлических.

5.Определена магнитная анизотропия в плоскости слоев СР и установлены особенности их доменной структуры. Показано, что намагниченности доменов в СР EuS-YbSe и EuS-PbS лежат вдоль различных направлений в плоскости слоев, а именно, вдоль легких осей типа 110 и 210 , соответственно.

6.Установлена зависимость энергии антиферромагнитного взаимодействия в СР EuS-PbS от температуры и толщины немагнитной прослойки (наблюдается ее уменьшение с увеличением толщины прослоек и температуры). Константа межслоевого обменного взаимодействия имеет степенную зависимость от намагниченности слоев с показателем степени, зависящим от толщины EuS.

Практическое значение полученных результатов определяется решением

поставленной задачи по созданию эпитаксиальных СР на основе многослойных пленочных композиций с несоответствием решеток сопрягаемых слоев в широких пределах, что существенно расширяет круг сверхрешеточных материалов и открывает широкие возможности как для фундаментальных исследований в области физики полупроводников и диэлектриков, так и для создания новых функциональных элементов микроэлектроники, СВЧ- и ИК-техники. Открыты новые сверхпроводящие структуры – дислокационные сверхрешетки, которые могут быть использованы в качестве удобных объектов для моделирования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с плавным и хорошо

12

контролируемым изменением их структурных параметров. Разработана оригинальная методика выращивания монокристальных пленок и сверхрешеток из халькогенидов свинца на кремниевых подложках с применением буферных слоев из халькогенидов редкоземельных металлов. Определены коэффициенты взаимодиффузии слоев СР, что позволяет оценить время жизни функциональных элементов на их основе. На основе СР из халькогенидных полупроводников можно создавать ИК-лазеры с широким диапазоном длины волны излучения, величина которой будет определяться толщиной квантовой ямы. Возможность управления упорядочением намагниченностей соседних слоев EuS в СР и их переключение от антиферромагнитного к ферромагнитному при помощи магнитного поля делает данные структуры весьма перспективными для спинтроники (спин-поляризованной электроники), когда можно контролировать не только величину тока носителей заряда, но и их спиновое состояние, что является еще одним шагом на пути создания квантового компьютера.

Личный вклад соискателя. В опубликованных работах [359-422] автор принимал непосредственное участие в формировании направления исследований, постановке задачи, обработке экспериментальных результатов, а также в формулировании выводов. Непосредственно автором были изготовлены все образцы и исследована их структура (электронная микроскопия и рентгеновская дифракция). Совместно с коллегами из других организаций автор принимал участие в измерениях электрических [366-368,382-408], оптических [375-380] и магнитных характеристик [409-422] образцов, в том числе при помощи дифракции нейтронов [413-417,420,422], а также в исследованиях взаимодиффузии [370-374]. Конкретный вклад соавторов в опубликованных работах приведен в примечании к диссертации.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы были представлены и доложены на: 13-й всесоюзной конференции по электронной микроскопии, Сумы, 1987 г.; 9-й всесоюзной конференции по физике полупроводников, Кишинев, 1988 г.; 8-й международной конференции по тройным и многокомпонентным соединениям, Кишинев, 1990 г. (8 Int. Conf. On Ternary and

13

Multinary Compounds, Kishinev, 1990); 7-й международной конференции по узко-

зонным полупроводникам, Саутгемптон, Англия, 1992 г. (7 Int. Conf. of NarrowGap Semiconductors, Southampton, 1992); 8-й международной конференции по узкозонным полупроводникам, Санта-Фе, США, 1995 г. (8 Int. Conf. of NarrowGap Semiconductors, Santa-Fe, USA, 1995); 21-й международной конференции по физике низких температур, Прага, Чехия, 1996 г. (21-st Int. Conf. on Low Temperature Physics, Prague, 1996); IV международной конференции «Матери-

аловедение и свойства материалов для инфракрасной электроники», Киев, 1998 г. (IV Int. Conf. “Material Science and Material Prope rties for Infrared Optoelectronics”, Kyiv, 1998); международном семинаре «Диффузия и диффузионные фазовые превращения в сплавах», Черкассы, 1998 г.(Int. Workshop “Diffusion and diffusional phase transformations in alloys”, Cherkasy, 1998); 18-ой международной конференции по термоэлектричеству, Балтимор, США, 1999 г.(18-th Int. Conf. on Thermoelectrics, Baltimore, USA, 1999); 2-ой международной конференции по физике и применению спиновых явлений в полупроводниках, Вюрцбург, Гер-

мания, 2002 г. (2-nd Int. Conf. on Physics and Application of Spin Related Phenomena in Semiconductors, Würzburg, Germany, 2002); 16- й международной конференции по магнетизму, Рим, Италия, 2003 г. (16 Int. Conf. on Magnetism, Rome, Italy, 2003); на международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, Россия, 2005 г..

Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы. Из них 52 статьи в специализированных научных журналах, 12 тезисов докладов на конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7-ми разделов, выводов, списка использованных источников (422 источника). Она содержит 313 страниц, включает 11 таблиц, 126 рисунков и 1 примечание.

.

14

РАЗДЕЛ 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Сверхрешетки - новый класс полупроводниковых структур

Развитие науки и техники в конце ХХ века привело к созданию нового направления в физике полупроводников и диэлектриков – сверхрешетки. Сверхрешетками (СР) называют кристаллы, у которых кроме периодического потенциала кристаллической решетки имеется дополнительный периодический потенциал для носителей заряда. Период СР превышает постоянную кристаллической решетки, но меньше длины свободного пробега электронов (что необходимо для взаимодействия электронных волн с потенциалом СР). Впервые идея создания СР была выдвинута Л.В.Келдышем в 1962 году [1], который предложил для создания периодического потенциала использовать стоячую ультразвуковую волну. Экспериментальные исследования СР начались с появлением в 1970 году работы Л.Есаки и Р.Тсу [2], которые предложили создавать СР на основе искусственных многослойных структур, получаемых периодическим изменением состава или легирования в процессе роста кристалла. Наличие модулирующего потенциала существенно меняет энергетический спектр, благодаря чему СР обладают рядом уникальных свойств, которые отсутствуют у обычных кристаллов и главные из которых следующие [3-5]:

•существенное изменение в сравнении с исходными полупроводниками энергетического спектра;

•наличие большого числа энергетических зон;

•очень сильная анизотропия (двумерность);

•подавление электронно-дырочной рекомбинации;

•концентрация электронов и дырок в СР является перестраиваемой величиной,

ане определяется только легированием;

•широкие возможности перестройки зонной структуры.

15

Все эти особенности СР позволяют считать их новым типом твердотельных структур. По способу создания периодического потенциала СР делятся на несколько типов. Наиболее распространенными являются композиционные и легированные СР.

Композиционные СР, представляют собой эпитакисально выращенные чередующиеся слои различных по составу полупроводников с близкими постоянными решетки. Исторически первые СР были получены для системы полупроводников GаАs - АlxGa1-xАs [6]. Успех в создании этой СР был обусловлен тем, что А1, имеющий такую же валентность и ионный радиус, что и Gа, не вызывает заметных искажений кристаллической структуры исходного материала. В то же время Аl способен создать достаточную амплитуду сверхрешеточного потенциала.

По расположению энергетических зон полупроводников композиционные сверхрешетки разделяются на несколько типов. Полупроводниковая СР GаАs - АlxGa1-xАs относится к СР I типа, у которых минимум зоны проводимости Еc1 и максимум валентной зоны Еv1 одного полупроводника по энергии расположены внутри энергетической щели другого (рис. 1.1,а). В СР этого типа возникает периодическая система квантовых ям для носителей тока в первом полупроводнике, которые отделены друг от друга потенциальными барьерами, создаваемыми во втором полупроводнике. Глубина квантовых ям для электронов ΔЕС определяется разностью между минимумами зон проводимости двух полупроводников, а глубина квантовых ям для дырок - разностью между максимумами валентной зоны ΔЕv (рис. 1.1,а).

В композиционных сверхрешетках II типа (рис. 1.1,б) минимум зоны проводимости одного полупроводника расположен в энергетической щели второго, а максимум валентной зоны второго - в энергетической щели первого (композиционные СР II типа со ступенчатым ходом зон [6]).

Энергетическую диаграмму СР этого типа иллюстрирует рис. 1.1,б справа. В этих сверхрешетках модуляция краев зоны проводимости и валентной зоны имеет один и тот же знак. Примером СР с такой энергетической структурой является

16

система InxGa1-xAs – GaSb1-yAsy. К этому же типу относятся и композиционные СР, у которых минимум зоны проводимости одного полупроводника расположен по энергии ниже, чем максимум валентной зоны другого (композиционные СР II типа с неперекрывающимися запрещенными зонами). Примером такой СР может служить система InAs – GaSb.

В легированных СР периодический потенциал образован чередованием слоев n- и p-типов одного и того же полупроводника. Эти слои могут быть отделены

Рис. 1.1. Расположение краев энергетических зон в полупроводниках (слева) и сверхрешетках (справа).

друг от друга нелегированными слоями. Такие полупроводниковые СР называют часто nipi-кристаллами. Для создания легированных сверхрешеток чаще всего используют GaAs. Схема расположения последовательности слоев в nipi- кристаллах приведена на рис. 1.2. Справа на этом же рисунке показана координатная зависимость зонной диаграммы этой сверхрешетки.

Потенциал в легированных СР создается только пространственным распределением заряда. Он обусловлен потенциалом ионизованных примесей в легированных слоях. Все донорные центры в легированных СР являются положительно заряженными, а все акцепторные центры – отрицательно заряженными. Потенциал объемного заряда в легированных сверхрешетках модулирует края зон исходного материала таким образом, что электроны и дырки

17

Рисунок 1.2. Расположение слоев (слева) и зонная диаграмма (справа) для легированных nipi- СР GaAs. Стрелка на левом рисунке показывает направления роста слоев (ось СР).

оказываются пространственно разделенными. Соответствующим выбором уровня легирования и толщины слоев это разделение можно сделать практически полным.

Важной особенностью легированных сверхрешеток является то, что экстремумы волновых функций электронов и дырок сдвинуты относительно друг друга на половину периода СР. Выбором параметров СР это перекрытие можно сделать очень малым, что приводит к исключительно большим рекомбинационным временам жизни носителей тока. Это обстоятельство позволяет легко изменять концентрацию носителей тока в этих сверхрешетках [5].

Эффективная ширина запрещенной зоны легированной СР EgSL определяется энергетическим расстоянием между низшей подзоной проводимости и высшей валентной подзоной. Этому параметру можно придавать любое значение от нуля до ширины зоны исходного материала Eg путем соответствующего выбора уровней легирования и толщины слоев.

Кроме композиционных и легированных СР возможны и другие типы этих структур, различающиеся способом создания модулирующего потенциала. В спиновых СР [5] легирование исходного полупроводникового материала

18

осуществляется магнитными примесями. Периодический потенциал в таких СР возникает при наложении внешнего магнитного поля. Потенциал СР может создаваться также периодической деформацией образца в поле мощной ультразвуковой волны или стоячей световой волны [1,5].

1.2. Энергетическая структура СР

Физические свойства полупроводниковых сверхрешеток определяются их электронным спектром. Для нахождения электронного спектра необходимо решить уравнение Шредингера для волновой функции электрона в СР Ψ(r) в одноэлектронном приближении, содержащее как потенциал кристаллической решетки V(r), так и потенциал СР (z)[5]:

Задача решения уравнения (1.1) существенно упрощается, благодаря тому, что период СР значительно превосходит постоянную кристаллической решетки, а амплитуда потенциала СР много меньше потенциала кристаллического по-

ля ( (z)<< V(r)).

Поскольку потенциал СР зависит только от координаты z, совпадающей с осью СР, то энергетический спектр электронов в СР резко анизотропен. На движение электронов в плоскости, перпендикулярной оси СР ее потенциал не будет оказывать заметного влияния. В то же время, движение электронов вдоль оси z будет соответствовать движению в поле с периодом d.

В общем виде дисперсионное соотношение для электрона в СР имеет вид

здесь j – номер энергетической минизоны.

19

Используя результаты расчета зонной структуры твердого тела в модели Кронига-Пенни, можно сделать некоторые качественные выводы. Поскольку потенциал СР периодичен, то энергетический спектр электрона в направлении оси СР имеет зонный характер. Так как период СР d значительно больше постоянной кристаллической решетки а, то получающиеся при этом сверхрешеточные зоны (минизоны) представляют собой более мелкое дробление энергетических зон исходных полупроводников (рис. 1.3). Компонента волнового вектора электрона

Рис. 1.3. Расщепление энергетической зоны E(kz) для кристалла с постоянной решетки а на минизоны Ej(kz), обусловленное потенциалом СР с периодом d.

вдоль оси СР kz определяется в пределах первой минизоны Бриллюэна

[5].

Плотность электронных состояний в полупроводниковой СР также существенно отличается от соответствующей величины в трехмерной электронной системе. На рис. 1.4. показана зависимость плотности электронных состояний ρ в СР от энергии Е [6]. Интервал энергии содержит три первые минизоны. Ширина

электронов (штриховая ступенчатая линия 3).

Рис. 1.4. Плотность электронных состояний в СР (1), квантовых ямах (3) и массивном кристалле (2).

Расщепление энергетической зоны полупроводника в направлении оси СР на ряд неперекрывающихся минизон является общим результатом для СР разного типа. Дисперсионный закон для носителей заряда в минизонах, положение и ширина минизоны определяются конкретным типом СР. Например, в композиционных сверхрешетках I типа дисперсия энергетических минизон для зоны проводимости в приближении сильной связи имеет следующий вид [5]:

соответственно; me*(1)- эффективная масса электрона в первом полупроводнике; j(d2)- ширина j-ой минизоны. Соотношение (1.4) представляет собой грубую оценку положения энергетической минизоны для Ec,j << c ( c– потенциал сверхрешетки.