Оптические свойства наноструктур A3B5

Актуальность исследования.

Сейчас невозможно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые гетероструктуры, впервые синтезированные в 1960;х годах, быстро нашли применение в оптоэлектронных устройствах и высокоскоростной СВЧ электронике. Затем были созданы наноструктуры с одномерным (квантовые ямы), двумерным (квантовые проволоки) и трехмерным (квантовые точки) ограничением носителей заряда, приводящим к квантованию спектра энергетических состояний. Растущий интерес к гетероструктурам обусловлен тем, что они дают возможность управления фундаментальными параметрами полупроводниковых кристаллов и приборов: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.

В настоящее время квантовые точки (КТ) являются перспективными объектами для реализации устройств квантовой логики [1]. Большинство операций по обработке информации в таких устройствах основано на эффекте резонанса в квантовой среде. Резонанс (резонансное туннелирование) предполагает наличие идентичных соседних состояний. Известно, что, например, в случае идентичных квантовых ям резонансное туннелирование между ними является основным типом транспорта носителей заряда в сверхрешетках [2]. Однако в однослойном массиве КТ такую ситуацию трудно реализовать из-за дисперсии КТ по размерам и относительно больших расстояний между ними в плоскости. В многослойном массиве распределение размеров КТ по вертикали становится гораздо более предсказуемым и управляемым [3].

При образовании одного слоя, КТ — являющиеся упругими включениями, создают дальнодействующие поля упругих напряжений. Таким образом, нижние слои КТ создают модуляцию упругой энергии на поверхности спейсера (области растяжения над точками). При осаждении следующего слоя атомы мигрируют в места с меньшим расхождением по постоянной решетки. В итоге, за счет такой вертикальной корреляции образуются колонки КТ. Как правило, размеры КТ в колонке немного увеличиваются (при одном и том же спейсере), что приводит к «красному» сдвигу в фотолюминесценции (ФЛ). Кроме того, необходимо учитывать большую вероятность туннелирования при маленьких прослойках, в КТ с более глубокими уровнями размерного квантования. Увеличение толщины барьера, наоборот, уменьшает вероятность туннелирования (экспоненциально) и соответственно приводит к «синему» сдвигу полосы ФЛ. Таким образом, в многослойных структурах возможно исследовать новые квантово-механические объекты — вертикально связанные (посредством туннелирования) квантовые точки (ВСКТ).

Массивы ВСКТ проявили себя как качественно новый объект. Их рост в вертикальном направлении скоррелирован и является более управляемым. В таких структурах можно наблюдать резонансные явления, поскольку разделяющий барьер очень мал и высока вероятность туннелирования. Однако из-за наличия некоторого расхождения по размерам в направлении оси роста, идентичных состояний между соседними КТ не получается. Необходимо внешнее воздействие, чтобы привести уровни в резонанс. В данной работе внешнее электрическое поле, ориентированное вдоль колонок, рассматривается как инструмент управления резонансами между неидентичными вертикально-связанными КТ.

В последнее время в оптои наноэлектронике находят применение вертикальные нанопроволоки или нитевидные нанокристаллы (ННК) -нанообъекты, имеющие длину в десятки раз превышающую их диаметр. Рост таких нитевидных кристаллов возможен на основе широкого круга материалов: металлов, керамик, полупроводников [4]. Полупроводниковые ННК обладают уникальными электронными и оптическими свойствами [5]. На основе ННК можно создавать светоизлучающие устройства со сверхнизким энергопотреблением, зонды для атомно-силовых микроскопов, автоэмиссионные катоды, туннельные диоды, одноэлектронные транзисторы, однофотонные излучатели [6]. На основе вертикальных ННК созданы полевые транзисторы [7].

Известно, что все полупроводниковые соединения А3В5, кроме нитридных, в объемной форме имеют стабильную кубическую кристаллическую решетку типа цинковой обманки. Образование гексагональной решетки в обычных условиях невозможно, т.к. для преодоления разности объемных энергий образования требуется приложение огромных давлений. Одной из наиболее интересных особенностей ННК А3В5 является их возможное формирование в гексагональной фазе. Данный эффект наблюдается для большинства ННК А3В5 (ОаАэ, 1пАб, ваР, 1пР и т. д.). Гексагональные структуры соединений А3В5 представляют собой, по сути, новые материалы, которые могут привести к открытию новых эффектов, свойств и приложений. Поэтому оптические свойства ННК А3В5 и, в частности, ННК ваАБ должны быть тщательно исследованы. Теоретические работы по расчету ширины запрещенной зоны ННК ваАэ в гексагональной фазе на данный момент являются крайне противоречивыми из-за отсутствия подтверждающих оптических экспериментов. Целью данной работы является изучение оптических свойств наноструктур группы А3В5. В первой части рассмотрены оптические свойства массивов многослойных квантовых точек 1пАз под действием внешнего электрического поля для их возможного применения в области квантовой логики. Вторая часть посвящена изучению оптических свойств нановискеров ваАв с различной кристаллической структурой.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1.Выращены р-1-п — структуры с многослойными массивами КТ и массивы ННК ваАБ.

2.Исследованы спектры стационарной фотолюминесценции и фотолюминесценции с временным разрешением образцов с многослойными КТ при приложении внешнего электрического поля.

3.Исследованы температурные зависимости ФЛ образцов с ННК ваАз.

4.Получены поляризационные зависимости ФЛ ННК ваАБ.

5.Изучены спектры комбинационного рассеяния ННК ваАв с различным содержанием кубической и гексагональной фаз.

Научная новизна работы;

1.Установлен характер поведения интенсивности 9-ти слойных массивов ТпАз/ваАз КТ во внешнем электрическом поле.

2.Впервые установлено появление контролируемых внешним электрическим полем резонансов ФЛ в р-ьп структуре 9-ти слойными массивами ЬгАз/ваАз КТ.

3.В спектрах ФЛ ваАв ННК с кубической и гексагональной структурой впервые получены линии соответствующие экситонному состоянию.

4.Определена разность ширин запрещенных зон ваАБ ННК с кубической и гексагональной структурой.

Практическая ценностьПолученные данные могут быть использованы для создания и оптимизации новых приборов в оптои наноэлектронике на основе ННК. Многослойные структуры с КТ показали себя перспективными для создания на их основе устройств переключения. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Пороговая зависимость интенсивности фотолюминесценции 9-ти слойного массива 1пАз КТ с толщиной разделяющего слоя ваАв 8нм от внешнего электрического поля.

2.Резонанс электронных уровней между различными квантовыми точками под контролем внешнего электрического поля в р-ьп структуре с 9-ти слойном массиве ТпАв/ваАз квантовых точек.

3.Спектры ФЛ ансамблей ОаАэ ННК содержат линии относящиеся как к рекомбинации экситона в ННК с кубической структурой (пик полосы 1.519еУ), так и к экситону в ННК с гексагональной структурой (пик полосы 1.478еУ).

4. Спектры комбинационного рассеяния ансамблей ваАБ ННК содержат особенности связанные с гексагональной и кубической структурой.

Полученные данные по спектрам KP коррелируют с исследованиями ФЛ и просвечивающей электронной микроскопии. Личный вклад автора.

По всем основным результатам настоящей работы личный вклад автора оценивается не менее, чем на 50%. В общий объем работ, выполненных автором, входит:

— обоснование задач исследований и определение способов их решения;

— проведение экспериментов;

— анализ полученных результатов. Апробация работы.

Основные результаты были представлены на шести всероссийских и международных конференциях:

1. И. В. Штром, Соколов A.C. «Влияние электрического поля на фотолюминесценцию многослойных структур InAs/GaAs с квантовыми точками» 7я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводниковой оптои наноэлектронике, Санкт-Петербург 5−9 декабря, 2005, стр. 42.

2. B.V.Novikov, S.Yu.Serov, N.G.Filosofov, I.V.Shtrom, V.G.Talalalev, O.F.Vyvenko, E.V.Ubyivovk, Yu.B.Samsonenko, A.D.Bouravleuv, I.P.Soshnikov, N.V.Sibirev, V.G.Dubrovskii, G.E.Cirlin. «Optical properties of GaAs nanowires studied by low temperature photoluminescence», Proc. l7th International Symposium «Nanostructures: physics and technology» — Minsk, June 22−26, 2009, p.186−187.

3.V.G. Dubrovskii, G.E. Cirlin, I.P. Soshnikov, N.V. Sibirev, F. Glas, J.C. Harmand, J. Patriarche, B.V. Novikov, I.V. Shtrom, M. Moewe, L.C. Chuang, C.

Chang-Hasnain. International Nano-Optoelectronics Workshop, Stocholm (2−8 august) and Berlin (8−15august), 2009, pp. 78−79.

4. Novikov, В. V., Serov, S. Y., Filosofov, N. G., Shtrom, I. V., Talalaev, V. G., Vyvenko, O. F., Ubyivovk, E. V., Bondarenko, A. S., Samsonenko, Y. В., Bouravleuv, A. D., Soshnikov, I. P., Sibirev, N. V., Dubrovskii, V. G. and Cirlin, G. E., «Photoluminescence of GaAs nanowires of different crystal structures», Proceedings 18th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» St Petersburg, June 21−26, 2010, p.234−235.

5. I.V. Shtrom, B.V. Novikov, «The Spectra of Raman scattering of GaAs and AlGaAs nanowires», Proceedings International Symposium «Science&Progress», 15−19 november, Saint-Petersburg, 2010, p. 111.

6. Цырлин Г. Э., Буравлев А. Д., Самсоненко Ю. Б., Сошников И. П., Штром И. В., Давыдов В. Ю., Новиков Б. В., Платонов А. В., Кочерешко В. П., «Эпитаксиальный рост и свойства GaAs квантовых точек в AlGaAs-нановискерах», Труды 15 международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2011, стр. 192.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 статьях и трудах конференций, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

:

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 81 наименований. Объем работы составляет 109 страниц. Работа содержит 51 рисунков.

Заключение

.

В заключении приводятся основные результаты работы, которые состояли в следующем:

1.По спектрам ФЛ и ВФЛ от 9-ти слойных структур ШАб/ШАб с КТ. обнаружено два типа КТ: АКТ и СКТ.

2. Получена зависимость интенсивности фотолюминесценции 9-ти слойного массива? пАя/СаАз квантовых точек от внешнего электрического поля.

3. по шире Показано, что резонансы наблюдаются между основными состояниями различных КТ в многослойной структуре ЫАзЛЗаАз КТ.

4. Для объяснения возникновения резонансов предложена модель поведения в ВСКТ.

5. ПЭМ С помощью метода МПЭ на подложке ОаАБ (111) получены массивы ваАв ННК как со строго гексагональной структурой, так и с кубической структурой.

6. В спектрах ФЛ от массива ваАв ННК со строго гексагональной структурой обнаружено излучение при 1.478 эВ, отнесенное к прямому экситонному переходу. Линия с пиком в 1.478 эВ поляризована преимущественно в направлении Е±С, где С направленно вдоль оси роста.

8. Проведены температурные исследования ФЛ образцов с ваАБ ННК в строго гексагональной фазе. Установлено, что полоса с пиком в 1.478 эВ соответствующая прямому экситонному переходу в ОаАв ННК присутствует в спектре ФЛ вплоть до 200К. Пик полосы смещается в низкоэнергетическую сторону, а сама полоса уширяется из-за экситон-фононного взаимодействия.

9. Исследованы спектры КР от ваАэ ННК в кубической и гексагональной формах. Показано наличие колебательных мод отвечающих как кубической структуре, так и политипам 2Н, 4Н.

Публикации по теме диссертации.

1. И. В. Штром, Соколов А. С. «Влияние электрического поля на фотолюминесценцию многослойных структур InAs/GaAs с квантовыми точками» 7я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводниковой оптои наноэлектронике, Санкт-Петербург 5−9 декабря, 2005 г, стр. 42.

2. B.V.Novikov, S.Yu.Serov, N.G.Filosofov, I.V.Shtrom, V.G.Talalalev, O.F.Vyvenko, E.V.Ubyivovk, Yu.B.Samsonenko, A.D.Bouravleuv, I.P.Soshnikov, N.V.Sibirev, V.G.Dubrovskii, G.E.Cirlin. «Optical properties of GaAs nanowires studied by low temperature photoluminescence», Proc. l7th International Symposium «Nanostructures: physics and technology» — June 22−26, 2009, Minsk, 2009, p.186−187.

3.V.G. Dubrovskii, G.E. Cirlin, I.P. Soshnikov, N.V. Sibirev, F. Glas, J.C. Harmand, J. Patriarche, B.V. Novikov, I.V. Shtrom, M. Moewe, L.C. Chuang, C. Chang-Hasnain. International Nano-Optoelectronics Workshop, Stocholm (2−8 august) and Berlin (8−15august), 2009, pp. 78−79.

4. Novikov, В. V., Serov, S. Y., Filosofov, N. G., Shtrom, I. V., Talalaev, V. G., Vyvenko, O. F., Ubyivovk, E. V., Bondarenko, A. S., Samsonenko, Y. В., Bouravleuv, A. D., Soshnikov, I. P., Sibirev, N. V., Dubrovskii, V. G. and Cirlin, G. E., «Photoluminescence of GaAs nanowires of different crystal structures», Proceedings 18th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» p.234−235 (2010).

5. I.V. Shtrom, B.V. Novikov, «The Spectra of Raman scattering of GaAs and AlGaAs nanowires», Proceedings International Symposium «Science&Progress», 2010,15−19 november, Saint-Petersburg, p. 111.

6. Цырлин Г. Э., Буравлев А. Д., Самсоненко Ю. Б., Сошников И. П., Штром И. В., Давыдов В. Ю., Новиков Б. В., Платонов A.B., Кочерешко В. П., «Эпитаксиальный рост и свойства GaAs квантовых точек в AlGaAs-нановискерах», Труды 15 международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2011, Нижний Новгород, стр. 192.

7. Talalaev V.G., Tomm J.W., Sokolov A.S., Shtrom I.V., Novikov B.V., Winzer A.T., Goldhahn R., Gobsch G., Zakharov N.D., Werner P., Goesele U., Cirlin G.E., Tonkikh A.A., Ustinov V.M., Tarasov G.G., «Tuning of the interdot resonance in stacked InAs quantum dot arrays by an external electric field», J. Appl. Phys., 100 (8), 83 704/1−7 (2006).

8. Талалаев В. Г., Новиков Б. В., Соколов A.C., Штром И. В., Tomm J.W., Захаров Н. Д., Werner Р., Цырлин Г. Э., Тонких A.A. «Резонансы вмассиве квантовых точек InAs, управляемые внешним электрическим полем», ФТП, 2007, том 41, выпуск 2, Стр. 203.

9. Novikov, В. V., Serov, S. Y., Filosofov, N. G., Shtrom, I. V., Talalaev, V. G., Vyvenko, O. F., Ubyivovk, E. V., Samsonenko, Y. В., Bouravleuv, A. D., Soshnikov, I. P., Sibirev, N. V., Cirlin, G. E. and Dubrovskii, V. G., «Photoluminescence properties of GaAs nanowire ensembles with zincblende and wurtzite crystal structure» .

Physica Status Solidi RRL 4, (7), pp 175−177 (2010).

10. С. В. Карпов, Б. В. Новиков, М. Б. Смирнов, В. Ю. Давыдов, А. Н. Смирнов, И. В. Штром, Г. Э. Цырлин, А. Д. Буравлев, Ю. Б. Самсоненко, &bdquo-Особенности спектров рамановского рассеяния нитевидных кристаллов на основе соединений А3В5″, ФТТ, 2011, том 53, выпуск 7 .