Электронно-дырочная жидкость и экситонные молекулы в низкоразмерных гетероструктурах Si/SiGe/Si

• Автор: Шепель, Денис Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Полупроводниковая система Si-Ge. Гетероструктуры на основе Si-Ge
1.2. Элементарные и коллективные возбуждения неравновесной электронно-дырочной системы в кремнии и германии
1.3. Экситонные молекулы в кремнии и германии
1.4. Электронно-дырочная жидкость в объёмном кремнии и германии и гетероструктурах Si/Sij.xGeA-/Ge с трехмерными слоями твердого раствора
Глава 2. Структурные и оптические свойства наногетероструктур Si/Sii.xGex/Si
2.1. Образцы и методики измерений
2.1.1. Выращивание гетеронаноструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии
2.1.2. Рентгеновская дифрактометрия
2.1.3 Измерение спектров комбинационного рассеяния света
2.1.4. Просвечивающая электронная микроскопия
2.1.5. Установка для исследования спектров фотолюминесценции в ближней инфракрасной и видимой области спектра
2.2. Влияние структурных несовершенств, возникающих при гетероэпитаксиальном росте напряженного SiGe-слоя наноструктуры Si/SiGe/Si, на ее оптические свойства
2.3. Структурные свойства и экситонный спектр наногетероструктур Si/Sii_xGex/Si с частично релаксированными слоями твердого раствора
Глава 3. Условия образования и свойства электронно-дырочной жидкости в
квазидвумерных слоях SiGe наноструктур SiSi|.xGexSi
3.1. Влияние зонных параметров Si/SiGe/Si гетероструктуры с трехмерными
слоями SiGe на образование ЭДЖ
3.2. Экспериментальное обнаружение квазидвумерной ЭДЖ в слоях 8Юе кремниевых гетероструктур
3.3. Определение плотности, компонентного состава и энергии связи квазидвумерной ЭДЖ из анализа формы линии фотолюминесценции
3.4. Результаты исследований ЭДЖ в видимой области спектра методом четырёхчастичной рекомбинации
Глава 4. Биэкситоны в квазидвумерных слоях 8Юс кремниевых
гетероструктур 81/81Се/81 II рода
4.1. Экспериментальное обнаружение линий излучения экситонных молекул в ближней инфракрасной области спектра
4.2. Результаты исследований в видимой области спектра при четырёхчастичной рекомбинации неравновесных носителей заряда
4.3. Анализ однородности состава слоя твердого раствора по фотолюминесценции локализованных биэкситонов
Заключение
Список цитированной литературы
Список работ автора по теме диссертации

Введение
Актуальность темы
Имеется широкая область экспериментально почти неизученных проблем, связанных с межчастичными взаимодействиями в низкоразмерных экситонных и электроннодырочных системах высокой плотности. Одним из наиболее ярких коллективных явлений, изученных в объемных полупроводниках, но практически неизученных в низкоразмерных системах, является конденсация экситонов в электронно-дырочную жидкость (ЭДЖ), впервые предсказанная Л. В. Келдышем [1]. ЭДЖ представляет собой макроскопическую квантовую ферми-жидкость, в которой почти свободные электроны и дырки удерживаются внутренними силами кулоновского происхождения. ЭДЖ обладает рядом необычных свойств, например, возможностью переноса энергии по кристаллической решетке без какого-либо ее нарушения; в ряде работ было высказано предположение, что ЭДЖ должна обладать сверхпроводимостью и сверхтекучестью. К середине 1980-х годов было выполнено большое число теоретических и экспериментальных работ по конденсации экситонов и установлены основные свойства ЭДЖ в объемных полупроводниках и, прежде всего, в германии и кремнии, где благодаря многодолинности электронного спектра стабильность жидкости высока и фазовый переход экситонный газ - ЭДЖ изучен наиболее полно (см. обзоры [2-7]).
Тема диссертационной работы состояла в исследовании основных характеристик этого фазового перехода в гетероструктурах 81/811 ..хОех/81 с квазидвумерными слоями твердого раствора 8ц.хОех. Предстояло выяснить, существует ли квазидвумерная ЭДЖ и, если существует, то каковы ее свойства. В литературе вплоть до последнего времени не имелось надежных сведений о наблюдении ЭДЖ в квантово-размерных структурах, хотя обнаружение этого явления имело бы существенный научный интерес для физики коллективных явлений в низкоразмерных электронно-дырочных системах. По аналогии с объемными полупроводниками следовало ожидать, что это явление следует искать в нанострук-

фонона, участвующего в переходе, в большую или меньшую сторону в зависимости от того, идет процесс с поглощением или испусканием фонона. При низких температурах преобладает процесс с испусканием фонона и спектр излучения сдвинут в сторону меньших энергий относительно энергий бесфононных переходов. В излучательных переходах в германии проявляются в основном продольные акустические фононы ЬА с энергией 27 мэВ (320 К), а в кремнии - поперечные оптические ТО, обладающие энергией 57.5 мэВ (670 К) [24].
На рис. 10 [33] показаны спектры излучения кремния, измеренные при различных
0,94 0,98 1,02 1,06 1,10 1,14 1,18 1,22 1
ЛР, эВ
Рис.10. Спектры излучения кремния: а - чистый кремний;# - кремний с примесью мышьяка, Ад5 - 1016 см"3 [33].