Исследование оптических и туннельных переходов в гетероструктурах со сложной валентной зоной в приближении эффективной массы

• Автор: Бекин, Николай Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 102 с.

Оглавление
Введение
1 Зонная структура и правила отбора при оптических переходах в гетероструктурах Gei~xSix/Ge и Gei-xSix/Si

1.1 Зонная структура в гетеросистемах Gei-xSix/Ge (111) и Gei-xSix/Si (001)

1.1.1 Зона проводимости

1.1.2 Спектры дырок

1.2 Правила отбора для межзонных оптических переходов в гетерострук-

турах Gei-xSix/Ge(lll) и Gei~xSix/Si(0Ql)

1.2.1 Правила отбора для межзонных оптических переходов в гетероструктурах Gei-xSix/Ge(lll)

1.2.2 Правила отбора для гет^ероструктур Gei-xSix/Si(001)

1.3 Приложение . . .. . , .

1.3.1 Гамильтониан Латтинжера;
1.3.2 Таблицы неприводимых представлений
2 Внутризонное поглощение и усиление излучения дальнего ИК диапазона в гетероструктурах p-типа с квантовыми ямами
2.1 Схемы усиления в дальнем ИК диапазоне на оптическом возбуждении
2.2 Поглощение и усиление на межподзонных переходах в валентной зоне
2.3 Усиление на межподзонных переходах в симметричных ступенчатых
квантовых ямах
3 Туннелирование дырок через одиночные полупроводниковые слои
3.1 Общие свойства туннелирования
3.2 Туннелирование через симметричные прямоугольные барьеры и квантовые ямы
3.2.1 Туннелирование через барьеры
3.2.2 Туннелирование через квантовые ямы
3.3 Туннелирование через несимметричные полупроводниковые слои
Заключение
Литература
Список основных публикаций

Введение
Одно из главных требований, предъявляемых к микроэлектронным приборам — максимально возможное уменьшение их размеров, что позволяет не только делать их компактными, но и увеличивать их быстродействие. Промышленные технологии подошли к субмикронным размерам полупроводниковых элементов микросхем, когда описание их работы на языке классической физики становится невозможным. Это является одной из причин интереса к квантовым системам и, в частности, к полупроводниковым гетероструктурам, содержащим тонкие пленки разнородных полупроводников. Современная технология позволяет выращивать высококачественные полупроводниковые слои толщиной 1 — 10 нм. При таких малых толщинах, сравнимых с длиной волны де Бройля электронов и дырок, становятся существенными квантовые эффекты.
Если такие тонкие слои служат потенциальными ямами для носителей заряда (электронов и/или дырок), то возникает квантование спектра (размерное квантование), которое существенно сказывается на транспортных и оптических свойствах гетероструктур. При поперечном транспорте через слои таких малых размеров также проявляется волновая природа носителей заряда (например, при резонансном туннелировании через многобарьерные гетероструктуры). Диссертация посвящена исследованию электронных и оптических свойств полупроводниковых гетероструктур с тонкими слоями в рамках следующих трех вопросов, каждому из которых посвящена отдельная глава:
1. Спектры электронов и дырок в гетероструктурах Gel-.xSix/Si и Ое^х5^х1Се с квантовыми ямами, их межзонные оптические свойства;
2. Поглощение и усиление инфракрасного излучения при межуровневых (меж-подзонных) переходах дырок в гетероструктурах А1ПВУ с квантовыми ямами.
3. Туннелирование дырок через гетеробарьеры и квантовые ямы в материалах со структурой алмаза и цинковой обманки;
Спектры электронов и дырок и правила отбора для межзонных оптических переходов. Глава 1 посвящена исследованию спектров электронов и дырок в гетероструктурах Се1-ХБЧХ/31 и Они являются наиболее привлека-
тельными с точки зрения возможностей их интегрирования в кремниевую микроэлектронику. Одно из важных направлений их исследования связано с получением на их основе так называемых прямозонных материалов для создания оптических приборов.
В объемных кремнии и германии нижние минимумы зоны проводимости и потолок валентной зоны разнесены в квазиимпульсном пространстве, поэтому они

являются непрямозонными полупроводниками. Это приводит к тому, что оптические переходы электронов становятся возможными только при их взаимодействии с фононами или дефектами решетки. Такое взаимодействие должно обеспечивать закон сохранения квазиимпульса при оптических переходах, добавляя электрону (или отнимая у него) соответствующий квазиимпульс. Вероятность, а следовательно и интенсивность таких оптических переходов мала по сравнению с прямыми переходами. В гетероструктурах Gei^xSix/Si и Gei-xSix/Ge с тонкими слоями оптические переходы могут стать возможными без участия дополнительных частиц [1]. Эта возможность реализуется для электронов в долинах, квазиимпульсы минимумов которых ориентированы в зоне Бриллюэна перпендикулярно плоскости роста. В этом случае соответствующая компонента квазиимпульса уже не является интегралом движения, поэтому в гетероструктурах с тонкими слоями зона Бриллюэна становится двумерной. (В короткопериодических сверхрешетках трансляционная инвариантность в соответствующем направлении сохраняется, но с периодом сверхрешетки. Это приводит к свертке зоны Бриллюэна, в результате которой минимум зоны проводимости может оказаться в ее центре.) Минимумы долин, квазиимпульсы которых не имеют компонент вдоль гетерограниц, попадают в центр такой двумерной зоны Бриллюэна и отвечают поэтому за возникновение прямозонности. Если такие долины оказываются самыми нижними по энергии, то гетероструктуры становятся прямозонными. Благодаря сильному влиянию деформации на энергетический спектр, межзонные оптические переходы становятся в них возможными в диапазоне: примерно от 600 до 1100 мэВ. Этот интервал включает в себя два окна прозрачности оптоволокна на длинах волн А к 1.Ь4мкм (энергия перехода и 850 мэВ) иАи 1.3 мкм (энергия перехода к 1010 мэВ).
Достижение прямозонности становиться возможным только в гетероструктурах Gei_xSix/Si и Gei-xSix/Ge, выращенных на подложке с ориентацией плоскости роста, соответственно, (001) и (111). Это связано с ориентацией в слоях этих гетероструктур нижних долин зоны проводимомсти в пространстве квазиимпульсов: в гетероструктурах с кремниевыми слоями (Gei-xSix/Si) самыми нижними по энергии оказываются долины Д-типа, минимумы которых ориентированы вдоль направлений типа [001] в зоне Бриллюэна, а в гетероструктурах с германиевыми слоями (Get-xSix/Ge) нижними, как правило, оказываются долины L-типа, ориентированные вдоль направлений типа [111]. В данной диссертации мы ограничиваемся рассмотрением только гетероструктур Gei-xSix/Si (001) и Gei-xSixIGe (111), вкоторых возможно возникновение прямозонности.
С точки зрения продольного транспорта дырок представляют интерес гетероструктуры Ge-xSixjGe, поскольку квантовая яма для дырок реализуется в них в слое чистого германия, в котором, во-первых, отсутствует сплавное рассеяние, а, во-вторых, из-за деформационных и квантово-размерных эффектов продольная эффективная масса дырок в нижней подзоне значительно меньше, чем в объемном германии. В гетероструктурах Gei^xSix/Si, выращенных на плоскости роста типа (001), двумерный канал с высокой подвижностью возникает для электронов в слое чистого кремния, если структура выращивается так, чтобы обеспечить в нем достаточно сильную деформацию растяжения в плоскости квантовой ямы. В этом случае в слоях кремния образуется достаточно глубокая квантовая яма в долинах с малой продольной эффективной массой (эти же долины ответствечают за возникновение прямозонности). На основе таких гетероструктур уже созданы быстродействующие
межзонных оптических переходов менее строги, поэтому предложенный способ идентификации может оказаться более простым. С другой стороны, он может оказаться полезным дополнением к другим экспериментам, которые, как отмечалось, в ряде важных случаев не могут быть однозначно интерпретированы.
В заключение, обсудим основные результаты Главы 1 под углом зрения некоторых возможных применений структур Gei-xSix/Ge (111) и Gei^xSix/Si (001) в оптоэлектронике в диапазоне длин волн, соответствующем межзонным оптическим переходам.
На пути практического использования прямозонности кремний-германиевых структур существует ряд препятствий. Одна из главных проблем — это малая интенсивность прямых межзонных оптических переходов. С помощью группового анализа нами показано, что в гетероструктурах Gei-xSix/Ge(111) с симметричными квантовыми ямами прямые оптические переходы между ближайшими подзонами запрещены в дипольном приближении. В гетероструктурах Ge-xSix/Si (001) с симметричными квантовыми ямами прямые переходы разрешены, однако при всех рассмотренных параметрах они являются непрямыми в координатном пространстве (тип-11 модуляции зон). Это существенно ослабляет интенсивность соответствующих межзонных переходов. Целью диссертации не являлось количественное исследование межзонных оптических свойств гетероструктур. Однако иметь грубое представление о порядке величины коэффициента поглощения (или мнимой части диэлектрической проницаемости) в гетероструктурах с квантовыми ямами можно по публикациям, посвященным электронным и оптическим свойствам сверхрешеток (Ge)n/(Si)m [12], [52]-[59]. К примеру, вклад в коэффициент поглощения от прямых оптических переходов в сверхрешетке (Ge)5/(Si)5 имеет порядок 100 см-1 вблизи фундаментального края поглощения [56], что на два порядка меньше, чем в гетероструктурах GaAs/AlGaAs.
Это вызывает серьезные трудности при создании оптоэлектронных приборов на основе кремний-германиевых структур. Например, если в качестве грубой оценки коэффициента усиления в потенциальной лазерной схеме на основе таких структур воспользоваться приведенным выше значением коэффициента поглощения (100 см-1), то для практической реализации такой схемы потребуется резонатор с добротностью на два порядка лучше, чем для аналогичного лазера на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs. Поскольку энергия кванта излучения в межзонных лазерах на структурах с квантовыми ямами меньше ширины запрещенной зоны подложки (Si или GaAs в данном случае), то потери будут обусловлены в основном друдов-ским поглощением. Коэффициент поглощения в кремнии и арсениде галлия при одной и той же концентрации примесей вблизи фундаментального края поглощения одного порядка, поэтому значительное повышение добротности резонатора для потенциального лазера на основе кремний-германиевых структур связано с большими трудностями.
Для создания на основе кремний-германиевых структур фотоприемииков ситуация более благоприятна в силу менее жестких требований к интенсивности оптических переходов. Как было показано (рис. 1.2, стр. 16; рис. 1.3, стр. 17), энергия оптических переходов в таких структурах может быть меньше ширины запрещенной зоны иедеформированного германия (гз 740 мэВ). Относительная дешевизна кремниевой технологии и ее хорошая разработанность делают кремний-германиевые структуры