Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | На границе ненапряженных слоев ZnSe/ZnSy Se1-y Основным дырочным состоянием оказывается уровень большая часть суммарного разрыва зон приходится на тяжелых дырок, двукратное вырождение которого снивалентную зону [11,21]. Более того, большая величина мается при приложении магнитного поля вдоль оси z.
прогиба зависимости Eg(y) (параметр прогиба для тверВ результате основным оптически активным состоянидого раствора ZnSy Se1-y оценивается как 0.43 эВ [22]) ем в системе оказывается экситон |-1/2, +3/2, где приводит к формированию границы с расположением в обозначении типа |s, m символ s(m) означает прозон типа II в широком диапазоне составов твердого екцию электронного спина (углового момента дырки) раствора. В этом случае слой ZnSySe1-y является Дбана ось z. Полная проекция углового момента такого рьеромУ для дырок и ДямойУ для электронов. Дефорэкситона равняется +1, в согласии с наблюдаемой мации растяжений в псевдоморфном слое ZnSy Se1-y + -поляризацией нижнего по энергии пика ФЛ. Верхобусловливают дополнительное увеличение разрывов няя компонента дуплета экситонов с тяжелой дыркой, зон на границе как для электронов, так и для тяжелых |+1/2, -3/2, согласно правилам отбора должна проявдырок.
яться в -поляризации, что позволяет отождествлять Для расчета зависимости Eg(x) использовались эмпирические ее со слабой особенностью, наблюдаемой с коротковолформулы Eg(x) =2.821 - 0.145x + 4.073x2 (x < 0.13) и Eg(x) = новой стороны от основного пика в спектрах -поля= 0.4906x2 + 0.3727x + 2.8143 (x > 0.13), удовлетворительно описыризованной ФЛ. вающие экспериментальные зависимости, представленные в [20].
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1376 А.А. Торопов,.А.В. Лебедев, С.В. Сорокин, Д.Д. Салнышков, С.В. Иванов, П.С. Копьев...
Комбинация данных о расположении зон на границах Для известных значений разрывов зон при B = Zn1-xMnx Se/ZnSe и ZnSe/ZnSy Se1-y позволяет сделать ( Vhh и Vc) и параметров слоев (x и y) выражевывод о типе II квантовой ямы Zn1-xMnx Se/ZnSy Se1-y: ния (2) и (3) позволяют определить в случае произэлектроны локализованы в слое ZnSy Se1-y, а дырки вольного магнитного поля потенциалы для электронов в Zn1-x MnxSe (см. схему на рис. 4, показывающую взаи- со спином s = -1/2 и дырок с проекцией момента мноe расположение зон ненапряженных Zn1-xMnx Se импульса m =+3/2, используемые далее при расчете и ZnSySe1-y и влияние на них упругих напряжений основных уровней размерного квантования в системе и магнитного поля). При количественном расчете ве- МКЯ (Ee и Ehh), проводимого в рамках метода эффективличин разрывов зон на границе наибольшую погреш- ных масс для простой модели сферически изотропных ность вносит отсутствие надежных данных о величи- зон. Обусловленные магнитным полем пренебрежимо нах разрывов зон на границе ненапряженных ZnSe слабые сдвиги зон в немагнитном материале ZnSy Se1-y и ZnSy Se1-y. Использование весьма приближенных зна- в этом расчете во внимание не принимаются. Тогда + чений ДабсолютныхУ энергий зон ненапряженных ZnSe энергия экситона |-1/2, +3/2, наблюдаемого в и ZnS, приведенных Ван де Валле [11] (энергии дна поляризации, может быть выражена как зоны проводимости и центра тяжести трех валентных E|-1/2,+3/2 = Eg,ind + Ehh,3/2 + Ee + Ehh - Eb, (4) зон в точке обозначены в [11] как Ec и Evav соответственно), и остальных параметров из таблицы где Eb Ч энергия связи экситона, Eg,ind Ч ширина приводит к следующим величинам разрывов валентзапрещенной зоны, соответствующая непрямым перехоной зоны (тяжелые дырки) и зоны проводимости на дам в квантовыx ямах типа II в нулевом магнитном границе Zn0.96Mn0.04Se/ZnS0.15Se0.85: Vhh = 134 мэВ, поле (см. рис. 4). Величина Eb 14 мэВ была оценена Vc = 54 мэВ. Как будет показано далее, подгонка парав рамках вариационного метода, развитого ранее для метров структуры с учетом экспериментальных данных системы связанных квантовых ям [25]. Для всех значепо рентгеновской дифракции и зеемановскому расщепний магнитных полей такой экситон является экситоном лению экситона позволяет уточнить эти значения.
типа II с пространственно разнесенными электроном и дыркой. Поскольку оцененные величины разрывов зон 4.2. Влияние магнитного поля на разрывы зон при B = 0 заметно превышают изменения потенциала, обусловленные действием магнитного поля, зависимоДля используемого диапазона магнитных полей стью Eb от магнитного поля мы пренебрегаем.
(B < 5Тл) основным эффектом магнитного поля на Для определения энергии экситона из эксперимензонную структуру РМП является эффект гигантского тальных спектров магнитофотолюминесценции величизеемановского расщепления [10,16]. Сдвиги зон Ч зоны на стоксова сдвига оценивалась как Est = 0.6, где проводимости ( Ec,1/2) и отщепленной зоны тяжелых Ч полная ширина на полувысоте пика ФЛ локалидырок ( Ehh,3/2) Ч определены как зованных экситонов [26]. Эффект магнитного полярона 1 при этом не принимался во внимание как достаточно Ec,1/2 = xN0 Sz, (2а) слабый в образце со столь малой концентрацией ионов Mn2+ [27]. Для подгонки зависимости энергии пика ФЛ от магнитного поля EPL(B) с учетом данных измерений Ehh,3/2 = xN0 Sz, (2б) рентгеновской дифракции численно решалась система уравнений где x Ч концентрация ионов Mn2+, N0 и N0 Ч обменные константы, Sz Ч среднее значение z -компоненты EPL(B, x, Teff) =Eg,ind + Ehh,3/2(x, Teff, B) спина ионов Mn2+, + Ee( Vc, x, Teff, B) (5/2)gB Sz = S0B5/2, (3а) kTeff + Ehh( Vhh, x, Teff, B) - Eb - Est, (5а) Teff = T + T0, (3б) ZnMnSe Vc(x) =Eg (x) - Eg,ind, (5б) где g = 2, Ч магнетон Бора, B5/2 Ч модифиZnSSe Vhh(y) =Eg (y) - Eg,ind, (5в) цированная функция Бриллюэна для спина 5/2, Sи T0 Ч феноменологические параметры, описываюx = f (0, y). (5г) щие антиферромагнитное взаимодействие между спиZnMnSe ZnSSe нами ионов Mn2+. В расчетах использовались значе- Здесь Eg и Eg являются ширинами запрения N0 = 0.26 эВ и N0 = -1.31 эВ, измеренные для щенной зоны псевдоморфных слоев твердых раствообъемного ZnMnSe [23]. Зависимость параметра S0 от ров в нулевом магнитном поле, рассчитанными с исконцентрации ионов Mn2+ определялась интерполяцией пользованием параметров, приведенных в таблице. Teff, экспериментальных данных работы [24]. Eg,ind и y использовались в качестве подгоночных Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Полумагнитные сверхрешетки типа II ZnMnSe/ZnSSe: рост и магнитолюминесцентные свойства параметров. Уравнение (5г) отражает функциональ- Министерства науки и технологий РФ ДФизика твердоную связь между x и y, задаваемую законом Брэг- тельных наноструктурУ, Фондом Фольксваген и грантом га для измеренного положения ДнулевогоУ рефлекса Королевской академии наук Швеции.
дифракции рентгеновских лучей (0 ) от периодической структуры Zn1-x MnxSe/ZnSy Se1-y при фиксироСписок литературы ванных значениях толщин слоев. Наилучшая подгонка, показанная на рис. 3, a сплошной линией, соответ[1] G.A. Prinz. Science, 282, 1660 (1998).
ствует следующим значениям параметров: y = 0.159, [2] M. Oestreich, J. Hbner, D. Hgele, P.J. Klar, W. Heimbrodt, x = 0.033, Teff = 6.7K, Eg,ind = 2.806 эВ, Vhh = 110 мэВ W.W. Rhle, D.E. Ashenford, B. Lunn. Appl. Phys. Lett., 74, и Vc = 23 мэВ. Сплошная линия на рис. 1 является 1251 (1999).
результатом моделирования кривой дифракции, прове[3] R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, денного в рамках полукинематического приближения A. Waag, L.W. Molenkamp. Nature, 402, 787 (1999).
[4] B.T. Jonker, Y.D. Park, B.R. Bennett, H.D. Cheong, для структуры с уточненными параметрами x и y.
G. Kioseoglou, A. Petrou. Phys. Rev. B, 62, 8180 (2000).
Расчет спектра электронных и дырочных состояний [5] Ya.V. TerentТev, A.A. Toropov, S.V. Sorokin, A.V. Lebedev, сверхрешетки в модели КронигаЦПенни дает значения S.V. Ivanov, P.S. KopТev, I.A. Buyanova, W.M. Chen, ширин минизон 0.1 мэВ для тяжелых дырок и 17 мэВ B. Monemar. Phys. St. Sol. (b), 229, 765 (2002).
для электронов. Согласно этим значениям, квантовые [6] D.C. Houghton, M. Davies, M. Dion. Appl. Phys. Lett., 64, ямы для тяжелой дырки являются изолированными, 505 (1994).
тогда как электронный потенциал представляет систему [7] T.V. Shubina, S.V. Ivanov, A.A. Toropov, G.N. Aliev, связанных квантовых ям. Заметим, что связь между M.G. Tkatchman, S.V. Sorokin, N.D. IlТinskaya, P.S. KopТev.
электронными ямами явно учитывалась при расчете Ee J. Cryst. Growth, 184/185, 596 (1998).
[8] H.J. Lozykowsky, V.K. Shastri. J. Appl. Phys., 69, и Eb. Полученные в результате подгонки значения x (1991).
и y хорошо согласуются с технологически заданными [9] Numerical Data and Functional Relationships in Science значениями. Тем не менее величины разрывов зон оказыand Technology, Landolt-Brnstein, New Series (Springer ваются заметно меньше значений, полученных в разд. 4.Verlag, Berlin, 1982).
с использованием значений параметров Ec и Evav для [10] J.K. Furdina, J. Kossut. Diluted Magnetic Semiconductors.
ZnSe и ZnS из работы [11]. Расхождение скорее всего [Semiconductors and Semimetals (Academic, N.Y., 1988) связано с неопределенностью имеющихся в литературе v. 25].
данных о взаимном расположении зон ZnSe и ZnS [11] C. Van de Walle, Phys. Rev. B, 39, 1871 (1989).
и неточностью определения необходимых параметров [12] H. Kukimoto, S. Shionoya. J. Phys. Chem. Sol., 29, тройного твердого раствора ZnSy Se1-y. (1968).
[13] P. Lawaetz. Phys. Rev. B, 4, 3460 (1971).
[14] S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, P.S. KopТev, J.R. Kim, H.D. Jung, H.S. Park. J. Cryst. Growth, 159, 16 (1996).
5. Заключение [15] G.V. Astakhov, D.R. Yakovlev, V.P. Kochereshko, W. Ossau, J. Nrnberg, W. Faschinger, G. Landwehr. Phys. Rev. B, 60, Методом МПЭ на подложке GaAs выращена по8485 (1999).
умагнитая псевдоморфная многослойная структура [16] J.A. Gaj, R. Planel, G. Fishman. Sol. St. Commun., 29, Zn1-xMnx Se/ZnSy Se1-y, в которой реализован прин(1979).
цип баланса напряжений: напряжения сжатия в слоях [17] F. Meier, B.P. Zakharchenya. Optical Orientation (NorthZn1-xMnx Se скомпенсированы напряжениями растяжеHolland, Amsterdam, 1984) v. 8.
ния в слоях ZnSy Se1-y. Оценки, проведенные с ис[18] E. Deleporte, T. Lebihen, B. Ohnesorge, Ph. Roussignol, пользованием Дправила транзитивностиУ и известных C. Delalande, S. Guha, H. Munekata. Phys. Rev. B, 50, (1994).
из литературы данных о разрывах зон на границах [19] P.J. Klar, D. Wolverson, J.J. Davies, W. Heimbrodt, M. Happ.
ZnMnSe/ZnSe и ZnSe/ZnSSe, позволили сделать вывод Phys. Rev. B, 57, 7103 (1998).
о структуре зон типа II: слои ZnMnSe являются КЯ [20] R.B. Bylsma, W.M. Becker, J. Kossut, U. Debska, D. Yoderдля дырок, а ZnSSe Ч для электронов. Обнаружен Short. Phys. Rev. B, 33, 8207 (1986).
существенный сдвиг линии экситонной ФЛ во внеш[21] C. Priester, D. Bertho, C. Jouanin. Physica B, 191, 1 (1993).
нем магнитном поле, определяемый в основном (p-d)[22] R. Mach, P. Flogel, L.G. Sunlina, A.G. Areshkin, J. Maege, обменным взаимодействием между дырками, локализоG. Voigt. Phys. St. Sol. (b), 109, 607 (1982).
ванными в слоях ZnMnSe, и ионами Mn2+. Совмест[23] A. Twardowski, M. von Ortenberg, M. Demianiuk, ная подгонка положения линии ФЛ в магнитном поле R. Pauthenet. Sol. St. Commun., 51, 849 (1984).
и кривых качания рентгеновской дифракции позволила [24] W.Y. Yu, A. Twardowski, L.P. Fu, A. Petrou, B.T. Jonker. Phys.
Rev. B, 51, 9722 (1995).
уточнить составы тройных твердых растворов в образце [25] S.M. Cao, M. Willander, E.L. Ivchenko, A.I. Nesvizhskii, и разрывы зон на границе ZnMnSe/ZnSSe.
A.A. Toropov. Superlatt. Microstruct., 17, 97 (1995).
Работа поддержана грантами РФФИ (№ 00-02-[26] K.P. OТDonnel, P.J. Parbrook, F. Yang, X. Chen, C. Tragerи № 02-02-17643) и INTAS (№ 01-2375), программой Cowan. Physica B, 191, 45 (1993).
7 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1378 А.А. Торопов,.А.В. Лебедев, С.В. Сорокин, Д.Д. Салнышков, С.В. Иванов, П.С. Копьев...
[27] C.D. Poweleit, L.M. Smith, B.T. Jonker. Phys. Rev. B, 50, 18 662 (1994).
Редактор Л.В. Шаронова ZnMnSe/ZnSSe type II semimagnetic superlattices: growth and magneto-luminescence properties A.A. Toropov, A.V. Lebedev, C.V. Sorokin, D.D. Solnyshkov, C.V. Ivanov, P.S. KopТev, I.A. Buyanova, W.M. Chen, B. Monemar Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia University of Linkping, S-581 83 Linkping, Sweden
Abstract
ZnSSe/ZnMnSe type II semimagnetic superlattice is grown by molecular beam epitaxy pseudomorphically on a GaAs substrate. The superlattice layer thichneses and compositions are chosen so that compressive strain in ZnMnSe can be compensated by tensile strain in ZnSSe. The spectra of photoluminescence in an external magnetic field demonstrate the effect of giant Ф Zeeman splitting of excitonУ. The theoretical simulation of the photoluminescence line shift is performed, allowing us to fix band offsets at a ZnSSe/ZnMnSe interface.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам