Ефекти просторового перерозподілу "гарячих" носіїв заряду в напівпровідниках і гетероструктурах - Автореферат

Вже на протязі півстоліття вивчення фізики твердого тіла тісно повязане з дослідженнями сильно нерівноважних станів у системі носіїв заряду в напівпровідниках і напівпровідникових структурах, які розігріваються електричним полем. Утворенням АС пояснювали спостереження світних плям і ниток у плівках GAAS в електронно-дірковій плазмі, що генерувалась в доменах Ганна або інжектувалась через p-n-перехід, світних ниток в p-n-переходах в a-SIC і в Si p -n -p-n-структурах, S-подібні ВАХ і осциляції струму в термогенерованій електронно-дірковій плазмі у вузькозонних кристалах INSB. У гетероструктурах поряд з механізмами, які призводять до струмових нестійкостей в обємних матеріалах, можуть проявлятися також нові квантові ефекти, повязані з маловимірністю структур, наприклад, з можливістю просторового переносу носіїв (“Real space transfer”) між квантоворозмірними шарами (наприклад, між квантовою ямою і легованим барєром або між квантовими ямами з різною рухливістю). Однак у таких структурах при напруженостях електричних полів, які необхідні для даного ефекту, можуть виникати різного типу домени, які можуть істотно впливати на утворення інверсного розподілу носіїв. Дисертаційна робота виконувалася у відділі електроніки твердого тіла Інституту фізики НАН України згідно із планами наукової діяльності відділу в рамках бюджетних тем НАН України і Державного фонду фундаментальних досліджень України: • “Інвертовані розподіли електронів і генерація інфрачервоного випромінювання в напівпровідникових гетероструктурах з квантовими ямами” у рамках наукового проекту “Нанофізика і електроніка” програми НАН України “Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології” - договір №6/05 - н (2005 р.)У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, відображені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, звязок роботи із плановими завданнями.Квазістаціонарні ВАХ зразків p-Ge вимірювалися за допомогою прямокутних імпульсів напруги, що прикладались до зразка в максимумі імпульсу світла (при практично незмінному освітленні). На підставі цих результатів зроблено висновок про виникнення в освітлених зразках p - Ge в гріючому електричному полі витягнутих вздовж струму областей з підвищеною температурою і зниженою концентрацією носіїв заряду, тобто поздовжних струмових автосолітонів. Встановлено також, що при досягненні граничних полів у зразках p - Ge стрибкоподібно зявляються сигнали близького інфрачервоного випромінювання IIR і Igl (крізь скляний фільтр) з областей, більш витягнутих уздовж струму, ніж у випадку поперечних АС. Показано, що теоретичні вимоги для виникнення поздовжних АС задовольняються: 1) виконується перша загальна для обох типів АС умова le/L << 1 (L - довжина біполярної дифузії, le - довжина енергетичної релаксації носіїв); 2) виконується умова (a s)-1 = 1, де tp ~ (Te)a і a = dln(tp)/dln(Te), te ~ (Te)s і s = dln(te)/dln(Te), (?p, ?? - часи релаксації імпульсу і енергії носіїв, відповідно, Те - температура носіїв), яка забезпечує позитивний зворотний звязок по температурі носіїв. Релаксація імпульсу носіїв при високій концентрації електронно-діркової плазми n ? p ? 1*1016 см-3 відбувається, в основному, при електронно-діркових зіткненнях і a=3/2, а енергія носіїв розсіюється при зіткненні з фононами і s =-1/2); 3) виконується співвідношення tee(~1*10-14 с)<<tp(~1*10-13 с)<<te(~1*10-11 с), у якому tee<<tp забезпечує формування повздовжнього АС у вигляді струмового шнура (tee - час електрон-електронних зіткнень).Досліджені процеси, що відбуваються в умовах сильної нерівноважності носіїв заряду при їхньому розігріві сильним електричним полем в обємних кристалах германія і гетероструктурах n-INGAAS/GAAS із квантовими ямами.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Досліджені процеси, що відбуваються в умовах сильної нерівноважності носіїв заряду при їхньому розігріві сильним електричним полем в обємних кристалах германія і гетероструктурах n-INGAAS/GAAS із квантовими ямами. Вивчені струмові нестійкості, що виникають при цьому, а також утворення просторово-неоднорідних структур у вигляді високопольових доменів або струмових шнурів.

а) експериментально виявлені передбачені раніше теоретично повздовжні термодифузійні автосолітони (АС) у вигляді струмових шнурів у кристалах Ge. Показано, що поздовжні АС утворюються при високих концентраціях електронно-діркової плазми (n ? 1*1016 см-3) і невеликому розігріві носіїв (до Те = =(2 - 4,5)Tl, Tl - температура гратки), на відміну від досліджених раніше поперечних високопольових АС, які утворюються при менших концентраціях плазми (5*1013 см-3 ? n ? 5*1015 см-3), але при більших локальних розігрівах носіїв (до Те ~ ?D ? 5Tl);

б) експериментально показано, що поздовжні і поперечні АС можуть або по черзі зявлятися і зникати в одних і тих же ділянках зразка, або одночасно існувати в різних його частинах, які мають відповідні для даного типу АС локальні значення концентрації плазми і напруженості поля. Це може призводити до багатоступінчатої ВАХ;

в) встановлено, що в гетероструктурах n-INGAAS/GAAS із квантовими ямами в латеральному електричному полі виникають статичні високопольові акустоелектричні домени, що спричинюють N-подібність ВАХ;

г) встановлено, що причиною виникнення загасаючих осциляцій струму в гетероструктурах n-INGAAS/GAAS є відбиття від анодного контакту акустичного потоку, повязаного з акустоелектричним доменом;

д) виявлено, що в гетероструктурах INGAAS/GAAS з подвійними тунельно-звязаними квантовими ямами у гріючому електричному полі просторовий перенос електронів із широких квантових ям у вузькі ями приводить до різкого збільшення інтенсивності далекого інфрачервоного випромінювання електронів. Природа цього ефекту пояснена додатковим внеском прямих випромінювальних міжпідзонних переходів електронів у вузькій ямі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В СТАТТЯХ

1. Антонов А.В. Акустоэлектрические домены в гетероструктурах GAAS/INGAAS с квантовыми ямами / Антонов А.В., Гавриленко А.В., Гавриленко В.И., Демидов Е.В., Звонков Б.Н., Ускова Е.А., Винославский М.Н., Белевский П.А., Кравченко А.В. // Известия академии наук, Серия физическая. - 2004.- том 68, № 1, С. 68 - 70.

2. Винославский М.Н. Автосолитоны в электронно-дырочной плазме p-Ge / Винославский М.Н., Белевский П.А., Кравченко А.В. // ЖЭТФ. - 2006.- Т. 129, вып. 3. - С. 477 - 492.

3. Vainberg V.V. Current oscillation and high field domains in the INGAAS/GAAS heterostructures with the d-doped quantum well / Vainberg V.V., Gudenko Yu.N., Belevski P.A., Vinoslavski M.N., Poroshin V.N., Vasetski V.M. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2006. - Т. 4, вип. 1, С. 41 - 50.

4. Белевский П.А. О природе затухающих колебаний тока при образовании статического акустоэлектрического домена в гетероструктурах n-INGAAS/GAAS с квантовыми ямами // Белевский П.А., Винославский М.Н., Порошин В.Н., Строганова И.В. // ФТП. - 2008. - Т. 42, вып. 5, С. 604 - 607.

5. Belevskii P.A. Real-space transfer and far-infrared emission of hot electrons in INGAAS/GAAS heterostructures with tunnel-coupled quantum wells // Belevskii P.A., Vainberg V.V., Vinoslavskii M.N., Kravchenko A.V., Poroshin V. N., Sarbey O.G. // УФЖ. - 2009. - Т. 54, № 1-2, С. 122 - 127.