Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Эмиссия поляризованных электронов из низкоразмерных полупроводниковых структур

Диссертация: Эмиссия поляризованных электронов из низкоразмерных полупроводниковых структур
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Численные расчеты, проведенные в работе показывают, что смешивание зон тяжелой и легкой дырок проявляет себя и в характерном туннелировании дырок в двухбарьерных гетероструктурах. Авторы показали, что времена жизни дырочных квазисвязанных состояний, как функции волнового вектора дырки при движении вдоль плоскости, имеют сложное поведение. Это поведение демонстрирует переходные резонансы… Читать ещё >

Содержание

  • Введение
    • 1. 1. Генерация поляризованных электронов
    • 1. 2. Содержание диссертации
  • 2. Диффузионная модель эмиссии
    • 2. 1. Спектральные характеристики фотоэмитеров
      • 2. 1. 1. Квантовый выход
      • 2. 1. 2. Поляризация эмитированных электронов
    • 2. 2. Приближение тонкого слоя
    • 2. 3. Результаты .¿г
    • 2. 4. Край поглощения в напря^нн&^'Д'йоях высоколегированных полупроводников

Эмиссия поляризованных электронов из низкоразмерных полупроводниковых структур (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

3.2 Методика измерений и экспериментальные результаты 36.

3.3 Спектральные зависимости поляризованной люминесценции и фотоэмисиии.47.

3.4 Обсуждение результатов, параметры флуктуационного потенциала.55.

3.5 Заключение.61.

4 Поверхностный потенциал эмиттеров с отрицательным электронным сродством 65.

4.1 Введение.65.

4.2 Моделирование поверхности эмиттера методом Монте-Карло .70.

4.3 Программа моделирования.74.

4.4 Результаты моделирования .77.

4.4.1 Динамика приповерхностного изгиба зон. Коэффициент прилипания.77.

4.4.2 Плотность поверхностных состояний .79.

4.4.3 Технология процессов активировации поверхности .82.

4.4.4 Моделирование поверхностного потенциала.. 85.

4.4.5 Корреляционная функция.90.

4.4.6 Функция распределения поверхностного потенциала .92.

4.4.7 Уровень протекания.96.

4.4.8 Влияние спейсера.98.

4.5 Кинетика фотоэмиссии.99.

4.6 Заключение.102.

5 Влияние смешивания зон на дырочный транспорт вдоль оси полупроводниковой сверхрешетки 103.

5.1 Введение.103.

5.2 Зонный спектр сверхрешетки .106.

5.2.1 Анализ зонного спектра.109.

5.3 Подвижность тяжелых дырок.111.

5.3.1 Невырожденный случай.111.

5.3.2 Вырожденный случай.112.

5.4 Выводы.115.

5.5 Обсуждение.117.

5.6 Заключение.118.

6 Заключение 119.

1 Введение.

В последнее десятилетие явление оптической ориентации электронных спинов (создание ориентированных по спину носителей при поглощении циркулярно поляризованного света) в полупроводниках стало основой для изготовления легко управляемых источников сильно поляризованных электронов.

Пучки поляризованных электронов, получаемые при оптической ориентации ОаАв, находят применение в самых различных областях современной физики: атомной и молекулярной физике, физике конденсированного состояния, ядерной физике и физике элементарных частиц.

Широта применения источников поляризованных электронов предъявляет особые требования к их качеству. Несмотря на то, что само явление оптической ориентации изучено достаточно подробно, однозначного понимания процессов, специфических для электронной эмиссии, на сегодня нет. Это относится, прежде всего, к свойствам приповерхностной области эмиттеров поляризованных электронов и процессам активации поверхности до состояния с отрицательным электронным сродством. Решение проблем, имеющихся в этой области, поможет разработать эффективные методы повышения характеристик производимых эмиттеров и контроля их качества. Этим определяется актуальность темы диссертационной работы.

В настоящей работе рассмотрены следующие задачи, актуальные для физики эмиттеров поляризованных электронов:

1. Теоретическое описание экспериментальных спектров квантового выхода и спектра поляризации электронной фотоэмиссии из полупроводниковых гетероструктур с напряженным полупроводниковым слоем: СаАв на СаАвР. Изучение влияния различных параметров фотокатодов на их спектры с целью оптимизации катодных структур;

2. Теоретическое исследование экспериментальных спектров циркулярно поляризованной люминесценции из напряженных полупроводниковых слоёв. Сравнение параметров структур, восстановленных по спектрам люминесценции, с данными, полученными из спектров квантового выхода и спектра поляризации электронной фотоэмиссии. Рассмотрение возможности контроля качества фотоэмиттеров по спектрам циркулярно поляризованной люминесценции;

3. Изучение флуктуационного поверхностного потенциала эмиттера и расчет его основных характеристик. Оценка влияния поверхностного потенциала на эмиссию поляризованных электронов и их кинетику в области объемного заряда;

4. Расчет дырочной подвижности в полупроводниковых сверхрешетках первого рода. Изучение влияния на подвижность параметров сверхрешетки, температуры и концентрации носителей.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в работе результаты используются для анализа вопросов о выборе оптимального профиля легирования приповерхностного слоя и о выборе режима легирования при создании эмиттеров поляризованных электронов. Показана возможность оценки параметров эмиттеров по экспериментальным данным и пути повышения их качества. Оценены предельные значения параметров эмиттеров на основе тонких слоев GaAs.

Основные результаты работы содержатся в 7 публикациях:

1. L.G.Gerchikov, B.D.Oskotskij and A.V.Subashiev, «Effect of band mixing on hole transport along the axis of semiconductor superlattice.» Phys. Rev. B, 50, 15 416 (1994).

2. L.G.Gerchikov, B.D.Oskotskij and A.V.Subashiev, International Symposium on nanostructures: Physics and Technology, St .-Petersburg, 1994, Book of abstracts, p.56.

3. B.D.Oskotskij, A.V.Subashiev, and Yu.A.Mamaev, «Photoemission and polarized luminescence spectra of the strained semiconductor layers», 9th International Vacuum Microelectronics Conference, St .-Petersburg,.

Russia, 1996, Technical Digest, p. 656.

4. B.D.Oskotskij, A.V.Subashiev, and Yu.A.Mamaev," Polarized photoemission spectra of the strained semiconductors layers", Phys. Low Dim. Struct., ½ (1997) 77.

5. L.G.Gerchikov, B.D.Oskotskij and A.V.Subashiev, «Band Bending Region Fluctuations in Photoemission from Semiconductors with Negative Electron Affinity», in Proc. of 12th International Symposium on High-Energy Spin Physics, Amsterdam, 1996, ed. by C.W.D. de Jager et al., World Scientific, 1997, p. 746.

6. Б. Д. Оскотский, А. В. Субашиев и JI.Г. Герчиков, «Флукту-ационные явления в эмиссии поляризованных электронов из полупроводниковых пленок с отрицательным электронным сродством.» Тезисы III Российской конференции по физике полупроводников, стр. 327. Москва, декабрь 1997.

7. B.D.Oskotskij, A.V.Subashiev, and L.G.Gerchikov," Surface Potential Fluctuations in Negative Electron Affinity State Formation", in Polarized Gas Targets and Polarized Beams, 7-th Int. Workshop, Urbana, 1997, ed. by R. Holt et al., AIP Conf. Proc. 421, 1998, p. 491.

Первый раздел введения содержит краткий обзор физических явлений, лежащих в основе работы современных эмиттеров и круга проблем, связанных с улучшением их характеристик. Во втором разделе введения приводится расположение материала по главам и формулируются результаты, выносимые на защиту.

5.4 Выводы.

Из рассмотренного выше следует, что аномальное поведение ширины первой минизоны тяжелой дырки, А и подвижности тяжелой дырки /л появляется в том случае, когда вероятность туннелирова-ния для легких дырок много больше, чем для тяжелых дырок. Это условие хорошо выполняется в полупроводниковых сверхрешетках с толстыми барьерами, где вероятности туннелирования очень малы и для легкой, и для тяжелой дырок. Однако, если отношение эффективных масс в объеме т^/т/ > 5, различие в темпе туннелирования оказывается достаточно большим, чтобы наблюдать аномалии подвижности в полупроводниковых сверхрешетках с тонкими барьерами и достаточно высокой подвижностью дырок. По этой причине (Ш)-ориентированная сверхрешетка является предпочтительной для экспериментального наблюдения эффектов.

Интерференция может оказаться подавленной процессами рассеяния дырок, которые могут изменить вклады легких и тяжелых ды.

1 1 к.

1ХУ.

10 ва А1 Аэ — СаАэ.

0.8 0.2.

111>, с! =3нм л/ с1 =4нм ь.

Ю10.

ЮН Ю12 п (см =2).

1013 2 о.

Рис. 5.6: Зависимость низкополевой подвижности первой минизоны тяжелой дырки (11-ориентированной сверхрешетки Al0.2Ga0.sAs — СаАэ от концентрации дырок. рок в ЬЫ минизонное состояние. Однако, интерференция становится заметной в подвижности, когда в нее вовлечены дырки со средней энергией движения вдоль плоскости Е ри квТ для статистики Максвелла Больцмана (или Е к Ер в вырожденном случае). Таким образом, рассеяние не разрушает интерференцию если %/т квТ (или %/т <�С Ер).

5.5 Обсуждение.

Смешивание зон может объяснить некоторые экспериментальные результаты Фудживары и др[76]. В этом эксперименте подвижности дырок были измерены косвенно из веса пиков в спектрах фотолюминесценции в А1Ав — ОаАв полупроводниковой сверхрешетке с периодом в, = 5 нм, переходящую в уширенную одиночную квантовую яму. Авторы обнаружили, что отношение интенсивности люминесценции пика уширенной одиночной квантовой ямы к пику тяжелой дырки полупроводниковой сверхрешетки, с ростом температуры вначале возрастает, а затем убывает. Это подтверждает, что зависимость подвижности тяжелой дырки от температуры имеет пик. Оценки положения пика совпадают с экспериментальными данными.

Численные расчеты, проведенные в работе [74] показывают, что смешивание зон тяжелой и легкой дырок проявляет себя и в характерном туннелировании дырок в двухбарьерных гетероструктурах. Авторы показали, что времена жизни дырочных квазисвязанных состояний, как функции волнового вектора дырки при движении вдоль плоскости, имеют сложное поведение. Это поведение демонстрирует переходные резонансы и минимумы. Причину этих пиков во времени туннелирования можно объяснить в рамках рассмотренного выше.

Наконец, отметим, что обсуждаемая выше интерференция вс1жнс1 также для туннелирования в структуре двойной ямы, где значения А (к) фактически регулируют вероятность перехода и расщепление уровней тяжелых дырок.

6 Заключение.

Сформулируем основные результаты диссертационной работы:

1. Построено теоретическое описание спектральных характеристик фотокатодов в рамках диффузионного приближения с учетом влияния легирования и деформационного расщепления на спектры поглощения. Показано применимость приближения тонкого слоя при описании фотокатодов. По экспериментальным данным проведена оценка основных параметров образцов.

2. Теоретически исследованы спектры поляризованной люминесценции из напряженных пленок ОаАв. Проанализирована возможность оценки параметров образцов, в том числе и зонных, по результатам измерений поляризованной люминесценции. Рассмотрены различные модели хвостов плотности состояний. Сделан вывод об их квазиклассичности и природе флук-туационного потенциала.

3. Методом Монте-Карло изучен процесс цезирования — активации образцов. Получены основные функциональные характеристики флуктуационного потенциала поверхности и их параметры. Показана роль флуктуаций при изучении кинетики электронов в области изгиба зон. Предложен механизм резкого снижения темпа потерь спина в приповерхностной области.

4. Изучено влияние смешивания подзон легких и тяжелых дырок в полупроводниковых сверхрешетках первого рода на дырочный транспорт вдоль оси. Показано, что такое смешивание приводит к сильной немонотонности в зависимости подвижности от толщины барьера, температуры и концентрации носителей.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Maruyama Т., Garvin E.L., Prepost R. et al. Phys. Rev. Lett., 1991, 166, p. 2376.
  2. Оптическая ориентация (под ред. Майера Ф., Захарчени Б.П.) — Л.: Наука, 1989.
  3. P.JI. Эмиттеры с отрицательным электронным сродством— М.: Энергия, 1978.
  4. Вир Г. Л., Пикус Г. Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках М.: Наука, 1974.
  5. Mamaev Yu.A., Yashin Yu.P., Subashiev A.V., Galaktionov M.S., Yavich В., Kovalenkov O.V., Vinokurov D.A. and Faleev N.N.- Phys. Low Dim. Struct., 1994, 7, p.27.
  6. Mair R. SLAC-Report-488, 1996- Maruyama T. et al., Proc. of the Low Energy Polarized Electron Workshop LE-98, St.-Petersburg, 1998.
  7. Aoyagi H., Horinaka H., Kamiya Y. et al.- Phys. Lett. A, 1992, 167, p.415.
  8. Grobli J.-C. et al. Phys. Rev. Letters, 1995, 74, p.2106.
  9. Mair R.A., Prepost R., Tang H., Garwin E.L., Maruyama T. and Mulhollan G. Physics Lett. A, 1996, 212, p.231.
  10. Mamaev Yu.A., Subashiev A.V., Yashin Yu.P., Reichart E., Dresher P., Faleev N.N., Kop’ev P., Ustinov V.M., and Zhukov A.E. Phys. Low Dim. Struct., 1995, 10/11, p.61.
  11. Nakanishi Т., in Polarized Gas Targets and Polarized Beams, AIP Conf. Proc. 421, 1997, p.300.
  12. Spicer W.- Phys.Rev., 1958, 112, p.114. J. Appl. Phys., 1960, 31, p.2077.
  13. Vegara G., Herrera-Gomez A., and Spicer W.E., in Proceedings of the SPIE, 2550, 1995, 142
  14. Duggan G. and Scott G.B. J. Appl. Phys., 1981, 52 p. 407.
  15. Ю.П., Андронов A.H., Климин А. И., Майор В. И., Мамаев Ю. А., Роднянский А. Е. ЖТФ, 1989, 59, в.6, стр. 59.
  16. Pierce D.T., Celotta R.J., Wang G.G. et all.- Rev. Sci. Instr., 1980, 51, No.4, p. 478 499.
  17. .И., Эфрос А. Э. Электронные свойства легированных полупроводников М.: Наука, 1979.
  18. Meigham P.-V. Rev. Mod. Phys., 1992, 64, p. 755.
  19. Casey Jr.H.C. and Panish M.B. Heterostructure lasers Academic Press, New York, 1978.
  20. Е.П., Субашиев А. В. Письма в ЖЭТФ, в.12, 1997, 65 стр. 867.
  21. Mezrin О.A., Konstantinov O.V., and Averkiev N.C. Sov. Phys.Semicond., 1987, 21, p. 310.
  22. Nakanishi Т., Aoyagi H., Horinaka H., Kamiya Y., Kato Т., Kosugoh Т., Nakamura S., Saka T. and Tsubata M. Physics Lett. A, 1991, 158, p. 345.
  23. Subashiev A.V., in Proceedings of 12th International Simposium on High-Energy Spin Physics, Vrije Universiteit Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands, 1997, p. 355.
  24. Garvin Е.1., Mair R.A., Maruyama Т., Prepost R., in Proc 12-th International Symposium on High-Energy Spin Physics, Amsterdam, 1996.
  25. Mirlin D.N. and Perel V.l., in Spectroscopy of Nonequilibrium Electrons and Phonons edited by C.V. Shank and B.P. Zakharchenya, Elseiver Science, B.V., 1992.
  26. Vasilev A.M., Daimlinger F., Straka J., Forchel A., Kochereshko V., Sander G.L. and Uraltzev I.N. Superlat. and Microstructures, 1993, 13, p. 97.
  27. P.И., Захарченя Б. П., Ичкитидзе P.P., Кавокин К. В., Пак П.Е. ФТТ, 1993, 35, стр. 1396.
  28. Maruyama Т., Garwin E.L., Prepost R., Zalapac G.H. Phys. Rev. B, 1992, 46 p. 4261.
  29. Balderesci A., Lipari N.O. Phys. Rev. B, 1973, 8, p. 2697, ibid. 9, 1525 (1974).
  30. Subashiev A.V., and German E.P., in Proc. Intern. Symp. «Nanostructures: Physics and Technology1997, (St.Petersburg, Russia), p. 130.
  31. A.V., Mamaev Yu.A., Yashin Yu.P., Clendenin J.C. -Phys. Low-Dim. Struct., 1999, ½, p. 77.
  32. Maruyama Т., Kurihara Y., Takeuchi Y. et al. Jpn. J. Appl. Phys., 1998, 33, p. 5676.
  33. Wongmanerod S., Holtz P.O., Reginski K. et al., In: Proc. 24-th Int. Conf. on Physics of Semiconductors, Tel-Aviv, 1998 (World Scientific, 1998).
  34. М.И., Перель В. И. ЖЭТФ, 1971, 60, стр. 1954.
  35. Вир Г. Л., Ивченко Е. Л. ФТП, 1975, 9, стр. 1300.
  36. Вир Г. Л., Аронов А. Г., Пикус Г. Е. ЖЭТФ, 1975, 69, стр. 1382.
  37. Spire Corporation, Bedford, MA 1 730
  38. Herman С., Drouhin H.-J., LampelG., Lassailly Y., Paget D., Peretti J., Houdre R., Ciccacci F., Riehert H., in Spectroscopy of Nonequilibrium Electrons and Phonons, edited by Shank С. V. and Zakharchenya B. P., (Elseiver Science, В. V., 1992) p. 135.
  39. Terekhov A. S. and Orlov D. A., Proc. SPIE, 1995, 2550, p. 157.
  40. V. 1., Paulish A. G., Scheibler H. E., and Terekhov A. S. Appl. Phys. Lett., 1995, 66, p. 2122.
  41. Woods M. et al. J. Appl. Phys., 1993, 73, p. 8531.
  42. Riehert H., Alvarado S. F., Titkov A.N., Safarov V.l. Phys. Rev. Lett., 1984, 52, p. 2297.
  43. M. И. и Кочаровский В. A. ФТП, 1982, 21, стр. 112.
  44. Alperovich V.L., Paulish A.G., Terekhov A. S. Phys. Rev. В, 1994, 50, p. 5480.
  45. Niccolian E. H. and Brews J. R. MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) Physics and Technology (Wiley, N.Y. 1982).
  46. В. А., Сурис Р. А. ЖЭТФ, 1983, 84, стр. 719.
  47. М. С., Левин Е. И., Шкловский В. И., Эфрос А. Л. -ЖЭТФ, 1981, 80, стр. 1596.
  48. Т.А., Шадрин В. Д. ФТП, 1988, 22, стр. 229.
  49. Andresen Н. G., Aulenbaher К., Bermuth J., Dresher Р., Hartman P. et al. in 12-th International Symp. on High Energy Spin Physics, Amsterdam, 1996, p.44.
  50. А. С., Шкловский Б. И. и Эфрос А. Л. ФТТ, 1973, 15, стр. 1423.
  51. Vegara G. et al. Surf. Sei, 1992, 278, p. 131.
  52. В. Goldstein Surf, Sei, 1975, 47, p. 143.
  53. Efros A.L., Shklovskii B.I. J. Phys.C.: Solid State Phys, 1975, 8, L49
  54. Efros A.L. J. Phys. C: Solid State Phys, 1976, 9, p. 2021.
  55. Efros A.L., Nguyen Van Lien, Shklovskii B.I. J. Phys. C: Solid State Phys, 1979, 12, p. 1869.
  56. Baranovskii S.D., Efros A.L., Gelmont B.L., Shklovskii B.I. J.Phys. С: Solid State Phys., 1979, 12, p.1023.
  57. Baranovskii S.D., Efros A.L., Gelmout B.L., Shklovskii B.I. Solid St. Commun., 1978, 27, p. l
  58. A.H. Физика поверхности эмиттеров с отрицательным электронным сродством.
  59. Tang Н. et al. In Proc. of the Workshop on Photocathodes for Polarized Electron Sources for Accelrators, SLAC-Report-433 Rev., 1994, p. 344.
  60. H.Tang, R.K.Alley, H. Aoyagi et al. in Fourth European Particle Accelerator Conference, (World Scientific, 1994), p. 46.
  61. Bolkovityaninov Y.B. et al., in Proc. 12-th Intern. Symp. on High-Energy Spin Physics ed. by C.D.W, de Jager et al. Word Scientific, Singapore, 1997, p. 700.
  62. Jaroshevich A.S. et al., in Proc. 7-th Int. Workshop on Polarized Gas Targets and Polarized Beams Urbana, 1997, p. 485.
  63. Herrera A.-Gomez, Vergara G. and Spicer W.E. J. Appl. Phys., 1996, 79, p. 7318.
  64. Esaki L. and Tsu R. IBM J. Res. Dev., 1970, 14, p. 61.
  65. Л.В. ФТТ, 1961, 4, стр. 2265.
  66. В.А. Яковлев ФТТ, 1961, 3, стр. 1983.
  67. Ploog К. and Dohler G.H. Adv. Phys., 1983, 32, p. 285.
  68. Brozak G., Helm M., DeRoza F., Perry C.H., Koza M., Bhat R., and S. J, Allen, Jr. Phys. Rev. Lett., 1990, 64, p. 3163.
  69. Grahn H.T., K. von Klitzing, Ploog K., and Dohler G.H. Phys. Rev. B, 1991, 43, p. 12 094.
  70. Myers Т.Н., Meyer J.R., Hoffman C.A., and Ram-Mohan L.R. -Appl. Phys. Lett., 1992, 61, p. 1814.
  71. Ting D.Z.-Y., Yu E.T., and McGill Т.О. Phys. Rev. B, 1992, 45, p. 3576.
  72. Jakson M.K., Johnson M.B., Chow D.H., McGill T.C., and Nich C.W. Appl. Phys. Lett., 1989, 54, p. 552.
  73. Fujiwara K., Tsukada N., Nakayama T., and Nakamura A. Phys. Rev. B, 1989, 40, p. 1096.
  74. Altarelli M. Phys. Rev. B, 1983, 28, p. 842.
  75. Smith D.L. and Malhiot C. Rev. Mod. Phys., 1990, 62, p. 173.
  76. Meyer J.R., Hoffman C.A., Bartoli F.J., Han J.W., Cook J.W., Jr., Schetzina J.F., Chu X., Faurie J.P., and Schulman J.N. Phys. Rev. B, 1988, 38, p. 2204.
  77. Л.Г., Рожнов Ж. В., и Субашиев А.В. ЖЭТФ, 1992,» 100, стр. 143.
  78. Л.Г. и Субашиев А.В. ФТП, 1993, 27, стр 446.
  79. С.А., Симин Ж. С. и Синдаловский В.Я. ФТТ, 1971, 13, стр. 2230.
  80. Lebwohl Р.А. and Tsu R. J. Appl. Phys. B, 1971, 41, p. 2664.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!