АВТОРЕФЕРАТ

МОЛДАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ УНИВЕРСИТЕТ

Специализированны* совет К 062.01.04 до физико-математическим наукам

На правах рукописи УДК 621.315.592

КАЛИНОВСКИЙ ВЛАДИСЛАВ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ПРОЯВЛЕНИЕ ЭЛНСГРОН-ФОНОННОГО ВЗАШОДЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРОННЫХ И ЭКСОТОННЫХ СОСТОЯНИЯХ , ПОГЛОЩЕНИИ СВЕТА И РАССЕЯНИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛИ В ПОЛЯРНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ

01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Кишинёв - 1992 Работа выполнена на кафедре теоретической физики Молдавского государственного университета

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: член-корреспондент АН РМ, доктор

физико-математических наук, профессор Е.П.Покатклов,

\ t

доктор физико-математических наук профессор С.И.Берил

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ШПОНЕКШ:

Главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук Перельман Н.Ф.

Главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук Хаджи П.И.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Кишиневский политехнический институт

Защита диссертации состоится " " 1992 г.

часов на заседании специализированного ученого совета К 062. 01.04 по присуждение ученой степени кандидата физико-математических наук в Молдавском государственном университете по адре-су: 277003, г.Кишинев, ул. А.Матеевича, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан " " 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Развитие электроники последних десятилетий вызвало необходимость исследования физических объектов новой природы; квазидвумерных систем (тонких полупроводниковых пленок), многослойных структур, содержащих полупроводниковые, диэлектрические и металлические слои, периодических структур с квантовыми ямами, полупроводниковых сверхрешеток.

Бурный рост как теоретического, так и экспериментального интереса к таким объектам связан также с достижениями технологии молекулярно-лучевой эпитаксии в ультраьысоком вакууме,' металл-органической эпитаксии из газовой фазы и др., позволяющих получать пленки и границы предельно высокого качества.

, При исследовании кинетических явлений в полярных полупроводниковых квантово-размерных структурах представляет интерес наряду.с учетом перестройки электронного спектра выявление роли перестройки фононного спектра в подобных явлениях .

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

построение теории электронных и экситонных возбуждений в полярных пленках на различных подложках с учетом перенормировки электронного и колебательного спектра;

анализ проблемы поляронного экситона в композиционных сверхрешетках;

исследование влияния квантующего магнитного поля на поляронные экситонные состояния в размерных органических

.кристаллах;

описание на основе теории, учитывающей размерный квантовый эффект и перенормировку фононного спектра процессов рассеяния в структурах с квантовыми ямами и инверсионных ка-налах НдП структур;

разработка теории поглощения ИК-света свободными носителями заряда в квантовых ямах при участии полярных оптических фононов с учетом перестройки электронного и фононного спектров.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

Роль поверхностны* ¦ объёмных поляронных. вкладов р рамках единого формализма а задаче полярона.

Установление немонотонности зависимости поляронных вкладов в энергию и массу диамагнитного экситона в зависи-мости от индукции магнитного поля в многослойных структурах с квантовыми ямами.

Теория экситонных состояний Ванье-Мотта.

Последовательная квантовая теория рассеяния с учетом перенормировки электронного и фононного спектров.

Положение о возможности доминирования поверхностных полярных оптических фононов в процессах рассеяния свободных носителей поглощения света в квантовых ямах. Вывод о сложной структуре линии фотон-фононного резонанса.

Применение механизма рассеяния фононов для объяснения. экспериментов по подвижности в инверсионных каналах ВДЛ-структур.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Предсказана немонотонность размерной зависимости фононних вкладов в энергию связи полярона ьтонкой пленке полярного кристалла.

Построена теория экситонных состояний Ванье-Мотта в структурах с квантовыми ямами и сверхрешетках * позволяющая провести последовательнкй анализ всех вкладов в эксперимент

тально набліодаемую величину - энергию фотона генерирующего эксйтон и описать качественно и количественно следующие экспериментальные результаты:

а! р.пяктпы акпитпннпгп поглощения в сверхтонких Пленках

б) ппектпы ппглпшения в пяямерно-квантованных пленках

Построена теория поляронных экситонных состояний диа-магнитного экситона. В качестве предельных случаев теория имеет известные результаты и монет быть использована для интерпритации магнетооптических экспериментов.

Проанализированы размерная зависимость и зависимость от параметров соседних сред коэффициента рассеяния и коэффициента релаксации импульса носителей заряде.

Для вероятности и коэффициента поглощения ИК-света свободными носителями заряда в структурах с квантовыми яма-ми при неупругом рассеянии на полярных оптических фононах получены корректные размерные зависимости и указано на су-ществование сложной структуры линии фотон-фононного резонанса.

АГГОРОБАЦИЯ РАБСШ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на ХШ Всесоюзном совещании по теории полупроводников (Ереван, 1987), на У Всесоюзной конференции "Тройные полупроводники" и их применение" (Кишинев - Верховина, 1967), на ХІУ Всесоюзном Шекероьском) совещании по теории полупроводников (Донецк, 1969), на ХШ Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990), на Ш Всесоюзная конференция по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск, 1990), на XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев, 1988). Результаты исследований докладывались и обсуждались на

научных семинарах Института прикладной физики АН РМ: лаборатории теории полупроводников и квантовой кинетики, отдела теории полупроводников и квантовой электроники, международной лаборатории по сверхпроводимости и твердотельной электронике, а также научных семинарах лаборатории физики многослойных структур Молдавского госуниверситета, кафедры теоретической механики Кишиневского политехнического института.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, перечисленных в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из одной вводной и трех оригинальных глав,изложенных на ВД страницах машинописного текста, включая Z5 рисунков и библиографию из 122 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вводной главе диссертации изложены используемые подходы к рассмотрению инерционных и безинерционных поляризационных колебаний.

В первом параграфе первой главы приведены потенциалы самовоздействия для заряда в центральном слое 3-х слойной гомеополярной структуры (боковые слои полубесконечные) и для композиционной сверхрешетки.

Второй параграф посвящен проблеме взаимодействия электрона с фононными колебаниями в полярной пластике конечной толщины. Анализ проводится с помощью модифицированного метода Ли-Лру--Пайнсв. Специфика рассматриваемой задачи в ограни-чении движения вдоль оси I . Если движение электрона вдоль, оси 2 достаточно медленное,выбор вариационных амплитуд фо-нонних мод осущес~""°'"""а "

(слабая електрон-фононная связь по оси і ), в противном случае

(промежуточная электрон-фононная связь по оси Ї ).

В обоих случаях из условия экстремальности аффективной анергии найдены явные формы и выражение для полно!

энергии

* Ет(<0 = tEfVv> + Ej? +ЕС6 (2)

•р.». -Ч " , аг

tpk - вклады от объемных и поверхностных мод соответ-ственно, а Еса _ энергия самовоздействия.Установлено, что основные особенности поведения полной энергии поляроне и вкладов в нее состоят в следующем:

энергия связи полярона в пластике полярного кристалла может существенно превышать значения в объемном материале и явно зависит от параметров сред, граничащих со слоем локализации;

в области малых толщин(о|$ 1.0-г 1.S нм Д®я QaAs") поверхностные поляронные вклады превалируют над объемными;

энергия связи полярона в зависимости от толщины может носить немонотонный характер.

Далее численно анализируются результаты и критерии выбора адекватной модели силы связи для различных полярных материалов .

В третьем параграфе были рассмотрены полярные экситон- ные состояния в полярной пластине. Экситон-фононный гамиль- тонит 3-х слойной системы берется в веде

И -КМУы+НЙ?) + UT + НрГ ' (3)

где Н = Р( /гт *

Voi - V0(г0 - потенциальные барьеры на границах слоев,полагаемые бесконечно высокими, Ut - потенциальная энергия электрона и дырки, находящихся в среднем слое

Ит(л Д) = U(?t,V) + Цсб(НеЛ) < >

описывает непосредственное взаимодействие електрона и дырки

U СП ,7ц) = У»} ЛoC-j evpl-т Uc-Zb\] *

4 2 [< х ) - S.Sj] 1 [г, Б"5C^ ft, - Eh) + exp (^d) -

Здесь.

№=<,5 і ?,,?г Еь - диэлектрические (безинерционные) проницаемости соответствующих сред.

Uсб ~ суммарная энергия самовоэдействия электрона и дырки. Взаимодействие с динамической поляризацией С Н[У_'рь ) учитывается в предельном случае Хакена(йе<> С^ь*0 ) Движение электрона и дырки вдоль Z учитывается через зависимость вариационных амплитуд от волновых функций электрона, И дырки. После решения Хакеновской задачи полученная вариационная энергия системы включает слагаемые 2-х типов зонные и экситонные

<№!Mf,Cp)|lf(p)> = E^x.d) + Ег(<») (6)

ЧЧр) = 2x'exp(-p/V> (7)

X - вариационный параметр

содержит вклады от энергии электрон-дырочного взаимодействия учитывающие изменение геометрии задачи и изменение экранировки безинерционной поляризации, размерный эффект ослабления инерционной экранировки. Ег содержит вклады от размерного квантования, самовоэдействия, поляронного эффекта.

В слунае анализа такой структуры как пленки Сс|Те на подложке Mq Рг дополнительно учтены следующие факторы:

4-х краіное вырождение валентной зоні зависимость масс электрона и дырки от толщины пленки (эффект непараболичности), номера уровня размерного квантования;

изменение характера локализующего потенциала по оси (вследствии утяжеления дырки).

Развитая в 1-ой главе теория позволила проанализировать спектры экситонного поглощения и люминяеценции на основе расчета экспериментально наблюдаемой величины - кванта:, генерирующего экситон. Согласие теории и эксперимента достигается только при учете всех размерно зависимых вкладов перечисленных выше.

иіиириривание че'инии ішверхниитнии миды эквивалентно ідля сильно полярных материалов) игнорированию основного канала диссипации энергии;

величины диэлектрических проницаемостей сред соседних со слоем локализации электронов оказывают существенное влияние вплоть до полного подавления процесса с участием поверхностных мод;

линия фотон-фононного резонанса имеет слогную , структуру 1. в силу наличия различных по резонансной частоте каналов рассеяния.

ВЫВСДЫ

Получены выражения для энергии связи поляроне в размерно ограниченной объемной пластине. Принципиально важным оказывается учет различных фононных їЛод в рамках единого формализма, что отражает реальную ситуацию, когда вклады различных мод одного порядка.

Построена теория экситонных состояний Ванье-Мотта в размерно ограниченных структурах с учетом ряда эффектов. Результаты теории согласуются с экспериментом только при учете всех факторов.

Получено точное выражение потенциала электрон-дырочного взаимодействия с учетом безинерционного и динамического экранирования. Установлена неадекватность модели двумерного кулоновского экситона для описания экситонных эффектов в квантовых ямах.

Т іески описана реальная система пленки

подложке

факторов: вырождение валентной зоны

зонных носителей от Толщины пленки и номера уровня размерного квантования. Построена экспериментально наблюдаемая величина - энергия кванта, генерирующего экситона. Теория согласуется с экспериментом.

В пределе сильного магнитного поля построена теория поляронных экситонных состояний в КРС. Получено•выражение для эффективного электрон-дырочного потенциала в случае наличия сильного магнитного поля в пределе Хакена. Показана немонотонность фононных вкладов в энергию и массу. Теория может быть использована для интерпретации магнетооптических экспериментов. ¦

Развита теория рассеяния в структурах с йвантовыми ямами с учетом перенормировки фононного спектра.Обсужден вопрос корректности различных приближений в решении задачи. Показана необходимость учета точного ввда электрон-фононного взаимодействия при описании данной задачи.

Показана роль учета перенормировки фононного cnejtrpa в задаче ИК-поглсщения в квантовых ямах. Установлена слбяная

структура линии фотон-фононного резонанса и корректная размерная зависимость вкладов в вероятность поглощения.

8. Для НдД-структуры построена теория, кечественно объ- ясняощая наблюдаемые в эксперименте полевую зависимость ' и . уменьшение скорости насыщения подвижности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

Покатилов ЕЛ., Берил С.И., Фонин В.М., Калиновский В'.В.., Лжтовченко" В.Г. и др. Размерно-квантованные состояния экситона Ванье-Мотта в пленочных структурах // Кишинев. 1967. - Ч.І. - 18 с. '- Деп. в МолдНИИНТИ. - № 845.

Покатилов Е.П., Берил С.И., Фомин В.М..Калиновский В. В., Литовченко В.Г. и др. Размерно-квантованные состояния экситона Ванье-Мотта в пленочных структурах // Кишинев. - 1967. - ч.2. - 19 с. - Деп. в МолдНИИНТИ. - № 846.

Покатилов Е.П., Берил С.И., Фомин В.М., Калиновский В.В., Литовченко В.Г. и др. Размерно-квантованные состояния экситона Ванье-Мотта в пленочных структурах // Кишинев. - 1987. - ч.З. - 18 с. - Деп. в МолдНИИНТИ. - № І064М.

Берил С.И., Покатилов Е.П., Кожухарь Д.И..Калиновский В.В. Экситон Ванье-Мотта в полярной полупроводниковой пленке в сильном матитном поле // Кишинев. - 1986. - 21 с. Деп. в МолдНИИНТИ. - № 707-М.

Берил С.И., Покатилов Е.П., Кожухарь Д.И., Калиновский В.В. Влияние сильного магнитного поля на кулоновское взаимодей-ствие в тонкой пленке // Кишинев. - 1984. - IS с. - Деп. в МолдНИИНТИ. - № 388М.

Берил С.И., Покатилов Е.П., Кожухарь Д.И., Калиновский В.В.- Магнитный поляронный экситон в РІТе // ХШ Всесоюзное совещание по теории полупроводников // Ереван. - 1987. - С.63.

Берил С.И., Покатилов Е.П., Фомин В.М., Погорилко Г. А., Калиновский В.В., Семеновская Н.Н. Электронные состояния в композиционных сверхрешетках G&As, / и In As/GaSt// У Всесоюзная конференция "Тройные полупроводники . и их применение". - Т.2..- 1987. - C.I42. - Кишинев. - Верхо-

'вина. •

Керил С.И., Калиновский В.В., Мадкур С., Фахуд М. Особенности поглощения света свободными носителями заряда в тон-

IS ких пленках и в сверхрешетках при рассеянии на оптических фононах // ХІУ Всесоюзное (Пекаровское) совещание по теории полупроводников. - Донецк. - 1969.

9. berit SI..E.P Pokahtov , YVtalinovskU . Coulomt Interaction and PoUronic txciton Sbies ir* Coroposihon&t Superlafticgb// Soi.(b). 169. p.58T. 199г

Берил С.И., Покатилов Е.П., Малиновский В.В. Кулоновское взаимодействие и поляронные экситонные состояния в композиционных сверхрешетках // Кишинев. - 1990. - 23с. - Деп. в МолдНИИНТМ. - К> 1197. - М90.

Берил С.И., Покатилов Е.П., Калиновский В.В. Кулоновское взаимодействие в экситонных состояниях Ванье-Мотта в композиционных сверхрешетках // Киев. - ХШ Всесоюзная конференция по физике полупроводников. - 1990. - т.2.- С.297.

Берил С.И., Покатилов Е.П., Калиновский В.В., Мадкур С. Рассеяние носителей заряда на оптических фононах и заряженных примесях в инверсионных каналах МДП-структур-. и в тонких пленках // Иввно-Франковск. - 1990. - Ш Всесоюзная конференция по физике и технологии тонких пленок.

Берил С.И., Покатилов Е.П., Калиновский В.В. Кулоновское взаимодействие и экситонные состояния Банье-Моття в композиционных сверхрешетквх // Кишинев. - 1990. - Научная конференция профессоро-исследовательской работы за ХП пятилетку. - Том. I. - С.81. .

Берил С.И., Покатилов Е.П., Мадкур .С., Калиновский В.В.Рас-сеяние на поверхностных оптических колебаниях и заряженных примесных центрах в инверсионных слоях и в тонких по-

nvnnnnnnuui/nn^nr nnouffnv // Tnu яго. _