Взаємодія п’єзоелектричних полів із двовимірним електронним газом у системі резонатор LiNbO3 – шаруватий напівпровідник

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 534.29:535.37

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ВЗАЄМОДІЯ П'ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ ІЗ ДВОВИМІРНИМ ЕЛЕКТРОННИМ ГАЗОМ У СИСТЕМІ РЕЗОНАТОР LiNbO3 - ШАРУВАТИЙ НАПІВПРОВІДНИК

Курилюк Василь Васильович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі загальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Коротченков Олег Олександрович Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри загальної фізики фізичного факультету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Данильченко Борис Олександрович, Інститут фізики НАН України, завідувач відділом фізики радіаційних процесів

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Оліх Ярослав Михайлович Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, старший науковий співробітник

Захист відбудеться « 27 » квітня 2009 року о 1630 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, Київ, просп. академіка Глушкова, 2, корп. 1, фізичний факультет, ауд. 200

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий « 17 » березня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 доктор фізико-математичних наук, професор Л. В. Поперенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напівпровідникові низькорозмірні гетероструктури є перспективними об'єктами фізичних досліджень та численних застосувань в нано - і оптоелектроніці. Оскільки більшість приладів на основі напівпровідникових гетероструктур працює при прикладанні електричної напруги, то вивченню поведінки низькорозмірних структур в електричних полях присвячена значна кількість досліджень. Зокрема, вимоги сучасної високочастотної обумовлюють проведення цих досліджень у змінних електричних полях високої частоти.

В останнє десятиріччя зросла кількість досліджень зі впливу п'єзоелектричних високочастотних полів, генерованих акустичними хвилями, на оптико-електронні властивості гетероструктур. Дослідження такого роду здебільшого обмежені використанням поверхневих акустичних хвиль. Зокрема, повідомлялось про вплив п'єзоелектричних полів поверхневих хвиль на фотолюмінесцентні, електричні, акустичні властивості структур, час життя електронно-діркових пар в гетероструктурах, час спінової когерентності електронів, локалізованих в квантових ямах.

Можна припустити, що резонансні коливання п'єзоелектричних пластин здатні забезпечити конкурентні можливості щодо комбінації компонент п'єзоелектричного поля відносно границі поділу гетероструктури у порівнянні із поверхневими акустичними хвилями. При цьому складена резонансна комірка «п'єзоелектрична пластина-резонатор - напівпровідникова гетероструктура» залишається маловивченою.

Головною метою даної роботи є вивчення ефектів взаємодії п'єзоелектричних полів із двовимірним електронним газом у системі п'єзоелектричний резонатор - напівпровідникова гетероструктура. При цьому особливу увагу приділено аналізу характеристик коливань та властивостей п'єзоелектричних полів в гетероструктурі. В літературі недостатньо описано методику використання існуючих чисельних методів для аналізу коливань обмежених тривимірних п'єзоелектричних, зокрема, гібридних структур із різними типами механічного зв'язку між шарами. Тому, одним з завдань, даної дисертаційної роботи було розробити метод моделювання електропружних коливань тривимірних п'єзоелектричних складених структур.

Таким чином, дана робота є актуальною з наукової та практичної точок зору.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі загальної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках наукової бюджетної теми № 01БФ051-09 “Теоретичне та експериментальне дослідження фізичних властивостей неоднорідних систем на основі модифікованих вуглеграфітних матеріалів та матеріалів акусто - опто - електроніки”, номер державної реєстрації 0104U006833 та № 06БФ051 - 04 “Експериментальне та теоретичне дослідження структури та фізичних властивостей низькорозмірних систем на основі напівпровідникових структур, різних модифікацій вуглецю та композитів”, номер державної реєстрації 0106U006390.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було теоретичне та експериментальне встановлення особливостей взаємодії носіїв заряду з п'єзоелектричними полями, генерованими електропружними ультразвуковими коливаннями в шаруватих структурах типу п'єзоелектричний резонатор LiNbO3 - напівпровідникова низькорозмірна гетероструктура. Для досягнення поставленої мети передбачалося вирішення наступних завдань:

Провести чисельне моделювання та експериментальні дослідження електропружних коливань обмежених п'єзоелектричних резонаторів LiNbO3 і складених структур типу п'єзоелектричний резонатор LiNbO3 - напівпровідникова низькорозмірна гетероструктура. Розробити методику врахування в розрахунках граничних умов ковзкого та жорсткого контакту між шарами структури.

Провести моделювання просторового розподілу носіїв заряду у вказаній гетероструктурі при дії п'єзополів.

Методами дослідження фотолюмінесценції, фото-ЕРС, комбінаційного розсіювання світла, вольт-амперних залежностей вивчити просторово-часові характеристики зарядопереносу в гетероструктурах GaAs/AlGaAs. Провести співставлення експериментальних даних з результатами розрахунків.

Об'єкт дослідження ? складена комірка «п'єзоелектрична пластина-резонатор - напівпровідникова гетероструктура з квантовими ямами».

Предмет дослідження ? взаємодія носіїв заряду в напівпровідникових низькорозмірних гетероструктурах з п'єзоелектричними полями електроакустичного резонатора.

Методи дослідження. Чисельне моделювання електропружних ультразвукових коливань досліджуваних структур проводилось варіаційним методом Релея - Рітца та методом скінченних елементів. Експериментальне дослідження резонансних коливань структур - за частотними залежностями модуля повної провідності й поверхневими розподілами п'єзоелектричного потенціалу. Взаємодія двовимірного електронного газу в гетероструктурах з квантовими ямами із п'єзоелектричними полями моделювалась методом скінченних елементів з урахуванням дифузії та дрейфу носіїв заряду. Експериментальні дослідження взаємодії п'єзоелектричних полів із двовимірним електронним газом у напівпровідникових гетероструктурах проводились методами фотолюмінесценції, спектроскопії комбінаційного розсіювання світла, вольт - амперних характеристик, спектрів фото - ЕРС.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Розроблено методику теоретичного опису електропружних коливань та їх характеристик для тривимірних складених структур типу п'єзоелектрична пластина - шаруватий напівпровідник в рамках варіаційного методу Релея-Рітца. Запропоновано схему врахування граничних умов різного типу на межі поділу між шарами структури.

Розроблено методику керування співвідношенням між величиною нормальних та тангенціальних компонент (відносно границі поділу досліджуваної двошарової структури) відповідним вибором моди коливань тривимірного п'єзоелектричного резонатора.

В шаруватій структурі резонатор LiNbO3 - напівпровідникова гетероструктура виявлено ефект модуляції густини двовимірного електронного газу в площині квантових ям GaAs/AlGaAs під дією тангенціальних складових п'єзоелектричних полів, що проявляється в просторово-часових змінах фотолюмінесценції та комбінаційного розсіювання світла.

Виявлено вертикальний перенос електронів між сусідніми квантовими ямами під дією нормальної до їх площини компоненти п'єзоелектричного поля, що генерується в структурі п'єзоелектричний резонатор - напівпровідникова гетероструктура. Показано, що такий зарядоперенос можна пов'язати з тунелюванням електронів через бар'єрні шари.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлені в роботі особливості електропружних коливань в обмежених п'єзоелектричних шаруватих структурах на основі кристалів LiNbO3 можуть бути використаними при створенні сенсорів фізичних величин, маніпуляторів мікро - і нанооб'єктів, резонаторів з перестроюваним спектром частот. Результати досліджень взаємодії п'єзоелектричних полів з носіями заряду у напівпровідникових гетероструктурах можуть знайти використання при створенні схем оптимізації і контролю роботи фотодетекторів та сонячних елементів. Розглядувана комірка може бути використана для розробки нових методів керованого впливу на оптичні та електричні параметри приладів з переносом заряду.

Особистий внесок здобувача в отриманні висвітлених в дисертації результатів полягає у розробці та написанні обчислювальних програм для моделювання електропружних коливань п'єзоелектричних структур за методом скінченних елементів. Комп'ютерні розрахунки за варіаційним методом Релея-Рітца проводились спільно з О.І. Половиною. В експериментальних дослідженнях внесок здобувача полягає у підготовці зразків до вимірювань, отриманні та обробці експериментальних результатів. Дослідження вольт-амперних характеристик проводилась з методичною допомогою Оліха О.Я., а запис спектрів фото-ЕРС - Подоляна А.О. Постановка задачі та обговорення одержаних результатів проводилися разом з науковим керівником. Дисертант готував та представляв доповіді на конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та висновки дисертації доповідалися та обговорювалися на конференціях:

2-а Міжнародна науково-технічна конференція «Сенсорна електроніка та мікросистемні технології» (СЕМСТ-2), Одеса, Україна, 26 - 30 червня, 2006. п'єзоелектричний гетероструктура електропружний ультразвуковий

28-а Міжнародна конференція з фізики напівпровідників (28th International Conference on the Physics of Semiconductors), Відень, Австрія, 24-28 липня, 2006.

3-я Міжнародна науково-технічна конференція «Релаксаційні, нелінійні та акустооптичні процеси, матеріали та методи їх отримання» (РНАОПМ'2006), Луцьк, Україна, 06-10 вересня, 2006.

7-а Міжнародна конференція молодих вчених «Проблеми оптики та сучасного матеріалознавства» (7th International Young Scientists Conference «Problem of Optics and High Technology Material Science SPO 2006»), Київ, Україна, 26-29 жовтня, 2006.

16th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics (ISAF 2007), Нара Сіті, Японія, 27-31 травня, 2007.

3-тя Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-3, Одеса, Україна, 17-22 червня, 2007.

3-тя Міжнародна науково-практична конференція «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології» (МЕТІТ-3), Кременчук, Україна, 21-23 травня, 2008.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 наукових робіт, у тому числі 6 статей та тези 7-ми доповідей на наукових конференціях. Перелік публікацій наведено в кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 156 сторінок. Робота включає 43 рисунки, 4 таблиці. Список використаних джерел містить 170 посилань на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, об'єкт, предмет і методи дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, відображено особистий внесок автора, наведено відомості про апробацію результатів роботи та публікацій, у яких висвітлено основні результати роботи.

Перший розділ дисертації присвячений огляду літературних даних, що мають важливе значення при вирішенні задач, сформульованих в роботі. Зокрема, зазначається, що теоретичний опис електропружних коливань обмежених п'єзоелектричних структур навіть у випадку простої геометрії потребує використання чисельних методів. Проведений в роботі огляд основних методів опису коливань п'єзоелектричних структур показує, що вони недостатньо розвинені для моделювання обмежених шаруватих структур з можливістю аналізу різних типів механічних та електричних умов на границі між шарами.

В літературному огляді висвітлено основні результати сучасних досліджень процесів взаємодії носіїв заряду в напівпровідникових низькорозмірних гетероструктурах із зовнішніми п'єзоелектричними полями. Відзначається, що поля, генеровані поверхневими акустичними хвилями, здатні суттєво модифікувати оптичні, електротранспортні, акустичні та інші властивості гетероструктур. Зокрема, захоплення електронів та дірок в максимуми та мінімуми п'єзоелектричного потенціалу біжучої акустичної хвилі, приводить до просторового розділення носіїв заряду різного знаку та зростання часу життя електронно-діркових пар. Серед інших важливих проявів акусто - електронної взаємодії у гетероструктурах - ефект зростання часу спінової когерентності електронів двовимірного газу, модуляція електронних властивостей.

Підкреслено, що п'єзоелектричні поля у гетероструктурі на основі GaAs можуть бути збуджені як за рахунок власного п'єзоефекту, так і при розташуванні поблизу її поверхні п'єзоелектричної пластини - звукопроводу. В якості п'єзоелектричного елемента для такої гібридної структури використовуються, як правило, кристали LiNbO3, котрі характеризуються можливістю генерації досить значних за величиною п'єзоелектричних полів. Більшість досліджень на структурах п'єзоелектрик - напівпровідник реалізувались з використанням поверхневих акустичних хвиль. В той же час, практично невивченим є питання про поведінку носіїв заряду в гетероструктурах при резонансних коливаннях. З проведеного аналізу літературних даних в роботі зроблено висновок про перспективність систематичних досліджень впливу п'єзоелектричних полів, генерованих коливаннями системи резонатор LiNbO3 - гетероструктура, на поведінку носіїв заряду в напівпровідникових гетероструктурах, зокрема, структурах з квантовими ямами.

Другий розділ дисертації присвячений опису досліджуваних зразків та використаних методик експериментальних і теоретичних досліджень, наводяться оцінки похибок експериментальних вимірювань та точності теоретичних розрахунків.

В роботі вивчались шаруваті структури, що складались із п'єзоелектричного резонатора та напівпровідникової багатошарової гетероструктури. В якості п'єзоелектричних резонаторів використовувались кристали LiNbO3 в формі прямокутних паралелепіпедів. Переважна більшість досліджень виконувались на зразках Y - 128o - повернутого зрізу. Використовувались також кристали X - та Y - зрізів.

Досліджувались гетероструктури GaAs/AlGaAs з квантовими ямами, вирощені методом молекулярно - променевої епітаксії. Використовувались кілька типів зразків, що відрізнялись розмірами шарів квантових ям GaAs та бар'єрів AlGaAs, а також кількістю періодів в структурі. Зразки всіх типів містили підкладку (001) n+ - GaAs, буферний шар GaAs:Si та власне гетероструктуру з квантових ям GaAs, розділених бар'єрами AlGaAs. Число періодів N в різних типах зразків варіювалось від N = 20 до N = 30. Поперечні розміри досліджуваних напівпровідникових гетероструктур становили близько 4Ч4 мм2. На окремих зразках зі сторони підкладки наносився омічний контакт за допомогою AuGe сплаву.

В роботі експериментально досліджувались частотні залежності модуля повної провідності п'єзоелектричних резонаторів та складених структур на їх основі при зміні механічних та електричних граничних умов на межі поділу між шарами, спектральні та просторові залежності фотолюмінесценції, спектри комбінаційного розсіювання світла, конденсаторної фото - ЕРС, розподіли пружних та п'єзоелектричних полів по поверхні резонаторів, вольт-амперні характеристики напівпровідникових гетероструктур під дією пружних і п'єзоелектричних полів.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений теоретичному та експериментальному дослідженню особливостей електропружних коливань та генерованих ними електричних і пружних полів в складених тривимірних структурах типу п'єзоелектричний резонатор - напівпровідник (рис.1, вставка). Для моделювання електроакустичних коливань в роботі проведено розв'язування системи рівнянь теорії пружності та електродинаміки з використанням чисельних методів: варіаційного методу Релея - Рітца та методу скінченних елементів.

В рамках варіаційного методу Релея - Рітца розроблено методику теоретичного опису електропружних коливань в обмежених шаруватих п'єзоелектричних структурах. В роботі запропоновано функціонал та введено тригонометричний базис для пошуку величини та просторових розподілів пружних і електричних полів у досліджуваних структурах. Функціонал включає в себе стандартні члени відомого функціоналу Ніссе - Холланда, якими описується стан кожного шару структури (F1, F2) та нові, запропоновані в даній роботі доданки (FМ, FЕ), що дозволяють врахувати механічні та електричні граничні умови на межі поділу між шарами:

В роботі проаналізовано два типи граничних умов на межі поділу між шарами, що відповідають ковзкому та жорсткому контактам. Відповідно для кожного типу граничних умов, доданки FМ та FЕ вибирались в наступній формі:

де ui - компоненти вектора пружних зміщень, ц - електричний потенціал, Tij - компоненти тензора механічних напруг, Di - компоненти вектора індукції електричного поля, Ni - компоненти одиничного вектора нормалі, нижнім індексом в дужках нумеруються шари структури, i, j, k = . Інтегрування в (2 - 4) проводиться по границі поділу між шарами.

В роботі показано, що відповідним вибором власної частоти коливань резонатора, можна досягти суттєво різного співвідношення між нормальними та тангенціальними компонентами вектора пружних зміщень . Отримані теоретичні та експериментальні результати свідчать також про те, що характер змін в спектрі власних частот коливань структури п'єзоелектричний резонатор - напівпровідник відносно спектру власних частот ізольованого резонатора, залежить від типу акустичного контакту між шарами. При ковзкому контакті спостерігається зменшення власних частот коливань складеної структури без зміни їх відносного положення в спектрі. Жорсткий контакт між шарами окрім зменшення власних частот коливань, приводить також до перебудови спектру, що проявляється у зміні відносного положення окремих власних частот.

Аналіз просторових розподілів компонент п'єзоелектричних полів в досліджуваній складеній структурі показує (рис.1), що відповідним вибором коливальної моди (частоти коливань) в ній можна збуджувати електричні поля, що характеризуються домінуванням нормальної чи тангенціальних складових вектора напруженості, що відкриває шлях для ефективного цілеспрямованого керування носіями заряду в гетероструктурах.

Четвертий розділ дисертації присвячений експериментальному і теоретичному вивченню впливу п'єзоелектричних полів, генерованих коливаннями електроакустичного резонатора, на процеси перенесення заряду в напівпровідникових гетероструктурах з квантовим ямами.

Методом скінченних елементів в роботі проведено моделювання взаємодії носіїв заряду в напівпровідникових гетероструктурах з п'єзоелектричними полями із врахуванням дифузії та дрейфу. Встановлено, що під дією тангенціальних складових вектора напруженості п'єзоелектричного поля відбувається перерозподіл носіїв заряду в площині квантової ями: електрони та дірки групуються, відповідно, у максимумах та мінімумах п'єзоелектричного потенціалу (рис.2).

Експериментально взаємодія п'єзоелектричних полів із двовимірним електронним газом (2DEG) у структурах з квантовими ямами GaAs/AlGaAs аналізувалась за розділеними в часі спектрами фотолюмінесценції (ФЛ) структур. Типові дані наведено на рис. 3.

Видно, що за наявності в точці збудження ФЛ позитивного електричного потенціалу, спостерігається широкий спектр випромінювання - (а) на рис. 3. Навпаки, при зміщенні точки збудження в область від'ємного потенціалу, спектр ФЛ гетероструктур суттєво звужується, зсувається в блакитну область та виявляє лінії нейтральних (X) і негативно заряджених (X-) екситонів ((б) і (в) на рис. 3).

Ґрунтуючись на літературних даних, зареєстрована в роботі еволюція спектральних залежностей ФЛ досліджуваних структур пояснюється варіацією густини двовимірного електронного газу в зовнішньо прикладеному електричному полі. Зокрема, раніше встановлено, що при перевищенні густини двовимірного електронного газу деякого критичного значення (n2D ~ 1010 см-2), спектр ФЛ гетероструктури з квантовими ямами являє собою широку смугу випромінювання. Зменшення густини 2DEG нижче критичного значення приводить до появи вузьких піків, пов'язаних з нейтральними та негативно зарядженими екситонами. Це дозволило зробити в роботі висновок про те, що під дією п'єзоелектричних полів, генерованих електропружними коливаннями, у досліджуваній гетероструктурі електронна густина перерозподіляється в площині квантової ями, зростаючи в областях додатного потенціалу ц та, відповідно, спадаючи при від'ємних значеннях ц.

Ґрунтуючись на отриманих даних, в роботі проведено оцінку значення n2D в різних точках площини квантової ями. При цьому використовувались відомі співвідношення для фотолюмінесценції у 2DEG

де - ширина лінії випромінювання 2DEG ((а) на рис. 3), IX_ та IX - інтенсивності відповідних екситонних ліній ((б), (в) на рис. 3), Eb - енергетична відстань між X- та X лініями. На рис.4 наведено отриманий з експериментальних спектрів ФЛ (3) та розрахований (2) розподіли густини 2DEG в площині квантової ями під дією п'єзополя з потенціалом, розподіл якого показано на (1).

Перерозподіл носіїв заряду в площині квантових ям підтверджується також результатами досліджень спектрів комбінаційного розсіювання світла в гетероструктурах типу GaAs/AlGaAs під дією п'єзополів, генерованих коливаннями пластини LiNbO3. Досліджувався вплив п'єзополів на LO-фонон-плазмонну моду (лінія «І_») структур GaAs/Al0.3Ga0.7As (рис.5).

В спектрі комбінаційного розсіювання світла, фрагмент якого показано на рис.5, а), вказана лінія слабо виражена і практично співпадає за спектральним положенням з лінією LO-фонона GaAs в сполуці AlGaAs («LO-GaAs»). Навпаки, в спектрі на рис.5, б) інтенсивність «І_» зростає відносно «LO-GaAs», а також спостерігається низькочастотний зсув її максимуму.

Відомо, що спектральне положення LO - фонон - плазмонних мод залежить від хвильового вектора (довжини хвилі лазера), енергетичної відстані між рівнями в квантовій ямі, яка визначається шириною ями та концентрації носіїв заряду. Оскільки перші два фактори в експериментах були незмінними, то еволюцію лінії «І_» в спектрах на рис.5. а), б) можна пов'язати із змінами концентрації 2DEG n2D в квантовій ямі. З розрахованої залежності частоти LO-фонон-плазмонної моди від n2D (рис.5, в)) видно, що при зростанні концентрації 2DEG відбувається низькочастотний зсув максимуму «І_» від частоти LO-фонона до частоти ТО-фонона. Таким чином, зменшення частоти максимуму лінії «І_» в спектрі на рис.5, б) у порівнянні з рис.5, а) пов'язане з більшою концентрацією носіїв заряду в області реєстрації спектру б) внаслідок їх перерозподілу в квантовій ямі під дією п'єзоелектричних полів. Отримана в експериментах різниця частот для моди «І_» (світлі точки на рис. 5. в)) є дещо меншою, ніж теоретично очікувана з розрахунків концентрації в областях реєстрації спектрів (світлі точки на рис. 5. в)). Така невідповідність може бути пов'язана з процесами перенесення заряду між сусідніми квантовими ямами гетероструктури.

В роботі показано, що виникнення нормальної до площини квантових ям складової вектора напруженості електричного поля, генерованого електропружними коливаннями двошарової структури LiNbO3 - напівпровідник, здатне викликати вертикальне перенесення заряду в гетероструктурах. Для експериментів обирались структури із подвійними квантовими ямами GaAs різної ширини із тонким бар'єрним шаром AlGaAs між ними. Під впливом п'єзополів проявлялась типова смуга ФЛ непрямих екситонів, пов'язана із рекомбінацією електронів і дірок, локалізованих у сусідніх квантових ямах структури.

При відсутності збуджуючого поля, в спектрі фотолюмінесценції досліджуваних структур GaAs/AlGaAs проявляються дві широкі смуги випромінювання, що походять від широкої та вузької ями. Одна із смуг представлена на рис. 6 (спектр 1). Як і у попередніх даних, наведених на рис. 3, прикладання позитивного потенціалу ц > 0 в точці збудження ФЛ приводило до підвищення густини двовимірного електронного газу в обох квантових ямах і, як наслідок, до уширення смуг випромінювання в спектрі. Прикладання п'єзоелектричного поля з домінуючою нормальною складовою, спричинювало появу смуги непрямих екситонів (спектри 2 - 5 на рис. 6).

Під дією нормальної складової п'єзополя відбувається зниження енергетичного бар'єру, внаслідок чого фотогенеровані електрони і дірки дрейфують протилежних напрямках і розділяються між сусідніми ямами. Внаслідок рекомбінації електронів та дірок, локалізованих в сусідніх квантових ямах і спостерігається емісія непрямих екситонів.

Відомо також, що люмінесценція непрямих екситонів є чутливою до напруженості електричного поля, а саме, при зменшенні останньої відбувається зсув положення максимуму ліній випромінювання в високоенергетичну область спектру. Така поведінка ФЛ непрямих екситонів експериментально була зареєстрована в досліджуваних гетероструктурах (спектри 2 - 5 на рис. 6), де при зменшенні напруженості нормальної компоненти вектора п'єзоелектричного поля відбувався зсув положення лінії IX від спектру 5 до спектру 2 на рис. 6 та спостерігалось загасання лінії IX з одночасним підсиленням емісії прямих екситонів (смуга X в спектрі 2).

Таким чином, наведені дані з перерозподілу інтенсивності в спектрах фотолюмінесценції свідчать про можливість контрольованого керування процесами перенесення заряду в напівпровідникових гетероструктурах за допомогою п'єзоелектричних полів, генерованих в розглядуваній резонансній системі.

Перпендикулярний до площини квантової ями перенос заряду може відбуватись внаслідок надбар'єрного збудження носіїв заряду та їх тунелювання крізь бар'єрні шари. Для з'ясування домінуючого механізму проводились дослідження вольт-амперних характеристик і спектрів фото-ЕРС.

Збудження п'єзоактивних коливань приводить до збільшення струму у структурі (рис.7). Крім того, в різницевих вольт-амперних характеристиках з'являється характерний перегин. Аналіз механізмів перенесення заряду у каскадних системах із квантовими ямами, дозволив встановити, що зростання струму можна пояснити надбар'єрним збудженням носіїв заряду при дії п'єзоактивних коливань, а перегин на вольт - амперних характеристиках - із процесами тунельного перенесення заряду.

В роботі запропоновано модель резонансного тунелювання електронів в гетероструктурі під дією нормальної складової п'єзоелектричних полів (рис.8). Положення рівня Фермі в незбуреній полем структурі (рис.8, а) визначається концентрацією двовимірного електронного газу (WF1 ~ n2D). В присутності ультразвукових коливань краї зони провідності вигинаються в зовнішньому електричному полі, яке є сумою статичного ЕV та п'єзоелектричного ЕВЧ полів. Оскільки за проведеними оцінками ЕV < ЕВЧ, то вигин зон в різні напівперіоди зміни п'єзоелектричного поля має вигляд, наведений на рис.8, б і в. При досягненні величини п'єзоелектричного поля деякого граничного значення E, виконується умова резонансного тунелювання для електронів в структурі: (рис.8, б).

Слід зазначити, що умова збагачення двовимірним електронним газом виконується лише в обмеженій області структури. Зважаючи на те, що можливість просторового та часового розділення залежностей I(V) в дослідах не використовувалась та виходячи з варіації густини n2D в площині квантової ями, можна припустити, що саме цим обумовлена наявність перегину на рис.7, б замість розділеного стрибка струму, що є характерним для тунельних процесів.

Спектри конденсаторної фото - ЕРС досліджуваних гетероструктур представлені на рис. 9. Східчастий характер спектральних залежностей обумовлений збудженням переходів між електронними й дірковими рівнями у квантових ямах GaAs (вставка на рис. 9,а)), енергетичні відстані між якими показані стрілками. Отримані в роботі дані свідчать про те, що під дією акустичних коливань відбувається зміна сигналу фото- ЕРС гетероструктур, причому характер зміни залежить від частоти щ та амплітуди V0 збуджуючої напруги. Генерація фото- ЕРС у структурах із квантовими ямами відбувається внаслідок просторового перерозподілу носіїв заряду вбудованим електричним полем гетероструктури за трьома основними механізмами: надбар'єрна емісія носіїв; тунелювання; розділення носіїв в межах квантової ями (відповідно а)-в) на рис.10). Зважаючи на це, виявлені в експериментах зміни сигналу фото - ЕРС можна пов'язати із двома факторами: 1) тепловою дією ультразвукових коливань і 2) впливом супроводжуючих п'єзоелектричних полів на процеси перерозподілу носіїв заряду. Проведений в роботі аналіз літературних даних показує, що виявлена залежність зміни сигналу фото-ЕРС від частоти не зводиться до теплової дії ультразвуку й може бути пов'язана з дією саме п'єзоелектричних полів.

Теоретичні розрахунки величини п'єзоелектричних полів в структурі свідчать про різні співвідношення нормальної та тангенціальних складових вектора напруженості, на підставі чого зроблено припущення про те, що збудження змінного електричного поля з домінуючими тангенціальними складовими, приводить до дрейфу фотогенерованих носіїв заряду в площині квантових ям із частотою збуджуючого сигналу. При цьому в областях максимумів і мінімумів електричного потенціалу формуються просторово розділені електронні й діркові «згустки» (рис.2). Як наслідок, зменшується роль механізму просторового перерозподілу в межах квантової ями й усереднений за період коливань сигнал фото-ЕРС падає (рис. 9, б). Збільшення сигналу фото-ЕРС гетероструктур, яке спостерагіється на частотах коливань з домінуючою нормальною складовою п'єзополя, можна пояснити зростанням ролі процесів тунелювання й надбар'єрної емісії носіїв. Внаслідок вигину енергетичних зон під дією електричного поля, що є сумою вбудованих і п'єзоелектричних полів, знижується висота потенційних бар'єрів для носіїв заряду, збільшується їх емісія за межі квантових ям. Стимульований нормальною складовою поля просторовий перерозподіл фотозбуджених електронів і дірок і приводить до спостережуваного в експериментах зростанню сигналу фото-ЕРС (рис. 9, a). 

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Запропоновано функціонал та схему вибору базисних функцій для врахування граничних умов ковзкого чи жорсткого акустичного контакту при моделюванні електропружних коливань обмежених структур п'єзоелектрична пластина LiNbO3 - шаруватий напівпровідник в рамках варіаційного методу Релея - Рітца. Розроблено методику чисельного моделювання коливань даних структур з використанням методу скінченних елементів.

Показано, що модельний спектр власних частот коливань досліджуваної двошарової структури добре узгоджується з експериментально виміряним спектром при ковзкому та жорсткому типах акустичного контакту між шарами, що засвідчує правильність запропонованого методу розрахунку.

Показано, що спектр коливань тривимірних п'єзоелектричних резонаторів LiNbO3 містить моди, що відрізняються між собою співвідношенням нормальних та тангенціальних компонент вектора пружних зміщень та напруженості електричного поля. Це дозволяє напрямлено змінювати особливості взаємодії п'єзоелектричних полів із носіями заряду у структурі п'єзоелектричний резонатор-напівпровідник.

Зареєстровано ефект модуляції густини двовимірного електронного газу в квантових ямах GaAs/AlGaAs при дії п'єзоелектричного поля, генерованого коливаннями прилеглої до напівпровідникової структури пластини LiNbO3. Ефект виявлений за просторово-часовими змінами в спектрах та інтегральній інтенсивності фотолюмінесценції, а також комбінаційного розсіювання світла.

Запропоновано кількісний підхід для опису ефекту модуляції, що враховує взаємодію компонент п'єзоелектричного поля, які лежать у площині квантової ями, із носіями заряду з урахуванням їх дифузії та дрейфу.

Методами фотолюмінесценції у подвійних квантових ямах GaAs/AlGaAs, вольт-амперних характеристик та фото-ЕРС у досліджуваних структурах виявлено вертикальний перенос електронів між сусідніми квантовими ямами під дією нормальної до площини прошарку GaAs компоненти п'єзоелектричного поля. Показано, що ефект такого зарядопереносу можна пов'язати із резонансним тунелюванням електронів двовимірного електронного газу через бар'єрні проміжки структури.

П'єзоелектричні поля, що генеруються у електроакустичній комірці «пластина LiNbO3 - шаруватий напівпровідник» можуть використовуватись для розробки нових методів керованого впливу на випромінювальні характеристики, оптичні та електричні параметри напівпровідникових гетероструктур та приладів з переносом заряду.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Електропружні коливання тривимірних прямокутних пластин-резонаторів LiNbO3 / В.В. Курилюк, А.М. Горб, О.І. Половина, Коротченков О.О // Вісник Київського університету, серія: фіз.-мат. науки. - 2006. - №2.- С. 452 - 455.

2. Акустоелектронні сенсори на резонаторах ніобату літію / В.В. Курилюк, А.М. Горб, О.І. Половина, Коротченков О.О // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології. - 2006. - №4.- С. 50 - 54.

3. Половина О.І. Вивчення електроакустичних коливань пластин-резонаторів LiNbO3 / О.І. Половина, В.В. Курилюк, О.О. Коротченков // УФЖ. - 2007. - T. 52, №3. - с.230-236.

4. Вплив ультразвуку на вольт-амперні характеристики гетероструктур GaAs/AlGaAs / В.В. Курилюк, А.М. Горб, О.І. Половина, Коротченков О.О // Вісник Київського університету, серія: фіз.-мат. науки. - 2007. - №3.- С. 298 - 300.

5. Korotchenkov O.A. Piezoelectric Gate for a Two-Dimensional Electron System Transport in LiNbO3-GaAs/AlGaAs Sandwich Structures / O.A. Korotchenkov, O.I. Polovina, V.V. Kurylyuk // IEEE Trans. Ultrason. Ferr. Freq. Control. - 2007. - Vol.54, №12. - P. 2529 - 2534.

6. Половина О.І. Вплив п'єзоактивних акустичних коливань на процеси перенесення заряду та фотолюмінесценцію в легованих структурах GaAs/AlGaAs / О.І. Половина, В.В. Курилюк, О.О. Коротченков // УФЖ. - 2008. - T. 53, №6. - с.579-585.

7. Курилюк В.В., Горб А.М., Половина О.І., Коротченков О.О. Акустоелектронні сенсори на резонаторах ніобата літію // II міжнародна науково-технічна конференція «Сенсорна електроніка та мікросистемні технології». Червень 26 - 30, 2006 , Одеса, Україна. Тези доповідей. - с. 131.

8. Kurylyuk V.V., Korotchenkov О. А., Polovina. O. I. Quantum well acousto-electric gate based on a standing wave piezoelectric potential // 28th International Conference on the Physics of Semiconductors. July 24-28, 2006, Vienna, Austria. Abstracts. - p. 194.

9. Курилюк В.В., Половина О.І., Коротченков О.О. Керовані світлом електроакустичні властивості складеної комірки п'єзоелектрик- напівпровідник // III міжнародна науково-технічна конференція «Релаксаційні, нелінійні та акустооптичні процеси, матеріали та методи їх отримання». Вересень 06-10, 2006 , Луцьк, Україна. Матеріали. - с. 88.

10. Kurylyuk V.V., Korotchenkov О. А., Polovina. O. I. Internal Losses in a Rectangular-Shaped Piezoelectric Resonator for Electromechanical Applications in Low Dimensions // 7th International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science SPO-2006». October 26 - 29, 2006, Kyiv, Ukraine. Abstracts. - Р. 50.

11. Kurylyuk V.V., Korotchenkov О. А., Polovina. O. I. Piezoelectric gate for a two-dimensional electron system transport in LiNbO3-GaAs/AlGaAs sandwich structures // 16th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics ISAF 2007. May 27-31, 2007, Nara city, Japan. Abstracts. - Р. 54.

12. Курилюк В.В., Половина О.І., Коротченков О.О. Вплив п'єзоелектричних полів стоячих хвиль на фотолюмінесценцію двовимірного електронного газу // III Українська конференція з фізики напівпровідників УНКФН-3. Червень 17-22, 2007, Одеса, Україна. Тези доповідей. - с. 28.

13. Курилюк В.В., Коротченков О.О. Комбінаційне розсіювання світла у квантових ямаx GaAs/AlGaAs при дії п'єзоелектричних полів електро-акустичного резонатора // III міжнародна науково-практична конференція «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології (МЕТІТ-3)». Травень 21-23, 2008, Кременчук, Україна. Тези доповідей - с. 130-133.

АНОТАЦІЯ

Курилюк В. В. Взаємодія п'єзоелектричних полів із двовимірним електронним газом у системі резонатор LiNbO3 - шаруватий напівпровідник. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 -фізика твердого тіла. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2009 р.

Дисертація присвячена теоретичному та експериментальному вивченню ефектів взаємодії носіїв заряду з п'єзоелектричними полями, генерованими електропружними коливаннями в шаруватих структурах типу п'єзоелектричний резонатор LiNbO3 - напівпровідникова гетероструктура.

В роботі запропоновано функціонал і схему вибору базисних функцій для врахування граничних умов ковзкого чи жорсткого акустичного контакту при моделюванні електропружних коливань структури п'єзоелектрик - напівпровідник в рамках варіаційного методу Релея - Рітца. Теоретично та експериментально показано, що при електропружних коливаннях в досліджуваній структурі, тангенціальні відносно границі поділу складові вектора напруженості п'єзоелектричних полів призводять до перерозподілу носіїв заряду в площині квантової ями у відповідності з просторовим розподілом п'єзоелектричного потенціалу, що проявляється в модифікації спектрів і просторових розподілів фотолюмінесценції.

В роботі також експериментально показано, що нормальна до границі поділу складова вектора п'єзоелектричного поля стимулює процеси вертикального перенесення заряду внаслідок тунельних механізмів.

Ключові слова: п'єзоелектричні поля, електропружні коливання, п'єзоелектричний резонатор, напівпровідникова гетероструктура, квантова яма, фотолюмінесценція.

АННОТАЦИЯ

Курилюк В. В. Взаимодействие пьезоэлектрических полей с двумерным электронным газом в системе резонатор LiNbО3 - слоистый полупроводник. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2009 г.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию эффектов взаимодействия носителей заряда с пьезоэлектрическими полями, генерированными электроупругими ультразвуковыми колебаниями в слоистых структурах типа пьезоэлектрический резонатор LiNbO3 - полупроводниковая низкоразмерная гетероструктура с квантовыми ямами.

В работе предложен функционал и введен набор базисных тригонометрический функций для учета граничных условий скользкого или жесткого акустического контакта при расчетах электроупругих колебаний ограниченной двухслойной структуры типа пьезоэлектрик - полупроводник в рамках вариационного метода Рэлея - Ритца. В результате проведенных расчетов показано, что соответствующим выбором резонансной частоты колебаний, в исследуемой структуре существует возможность управления соотношением величины тангенциальных и нормальной составляющих вектора напряженности пьезоэлектрического поля, что открывает возможность контролированого управления носителями заряда в полупроводниковой гетероструктуре как в плоскости квантовой ямы, так и в перпендикулярном направлении.

С использованием метода конечных элементов в работе проведено моделирование взаимодействия носителей заряда в полупроводниковой гетероструктуре с пьезоэлектрическими полями резонатора LiNbO3 с учетом их диффузии и дрейфа. Теоретически и экспериментально установлено, что при электроупругих колебаниях системы пьезоэлектрический резонатор - полупроводниковая гетероструктура, тангенциальные относительно границы раздела составляющие вектора напряженности пьезоэлектрического поля приводят к эффекту модуляции плотности электронного газа в плоскости квантовой ямы. При этом перераспределение носителей заряда в квантовой яме соответствует пространственной зависимости пьезоэлектрического потенциала и проявляется в модификации спектров и пространственных распределений фотолюминесценции исследуемых гетероструктур, а также спектров комбинационного рассеяния света.

В результате экспериментальных исследований фотолюминесценции непрямых экситонов, вольт-амперных характеристик, а также спектров фото-ЭДС гетероструктур GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами под действием пьезоэлектрических полей, в работе показано, что генерированная электроупругими колебаниями нормальная к границе раздела резонатор-полупроводник составляющая вектора пьезополя, стимулирует процессы вертикального зарядопереноса вследствие туннельных механизмов. В работе предложена модель вертикального зарядопереноса под действием пьезоэлектрических полей.

Ключевые слова: пьезоэлектрические поля, электроупругие колебания, пьезоэлектрический резонатор, полупроводниковая гетероструктура, квантовая яма, фотолюминесценция.

ABSTRACT

Kuryliuk V. V. Interactions of piezoelectric fields with a two-dimensional electron gas in a “LiNbO3 - layered semiconductor” resonator .- Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Taras Shevchenko Kyiv National University, Kyiv, 2009.

Thesis is devoted to theoretical and experimental studies of interaction between a charge carriers and piezoelectric fields generated by electroelastic vibrations in a sandwich structure, including the piezoelectric resonator LiNbO3 and low-dimensional semiconductor heterostructure.

A functional and set of trial functions for the account of the rigid and slippery boundary conditions in a vibrating piezoelectric layered structure based on the Rayleigh-Ritz method is presented. It is shown, both theoretically and experimentally, that tangential components of a piezoelectric field lead to redistribution of charge carriers in the plane of a quantum well, which follow the piezoelectric potential distribution and to changes of the spectral and spatial distributions of the quantum well photoluminescence.

It is also shown that the normal component of a piezoelectric field stimulates the perpendicular charge transport processes in the structure LiNbO3- semiconductor heterostructure due to tunneling mechanisms.

Key words: piezoelectric fields, electro-elastic vibrations, piezoelectric resonator, semiconductor heterostructure, quantum well, photoluminescence.

Размещено на Allbest.ru