Поляризация в ферромагнитных гетероструктурах
Контрольная работа - Физика
Другие контрольные работы по предмету Физика
а ГФЛ (точка '0') отстоит от лазерной линии на величину энергии дЕ, где дЕ определяется простым соотношением:
(5)
где EA - энергия ионизации акцептора; а - кинетическая энергия фотовозбуждённой дырки в подзоне тяжёлых дырок. В сильно легированных образцах взаимодействие соседних акцепторов приводит к формированию примесной зоны. Как известно, такое взаимодействие наступает, когда расстояние между соседними акцепторами становится сравнимым с их Боровским радиусом. Боровский радиус акцептора Mn а ~ 1nm, поэтому формирование примесной зоны происходит в соответствии с условием (6)
(6)
Рис. 5 Спектры ГФЛ, полученные от образцов (а) объёмный низкотемпературный GaAs:Mn (DLT) и гетероструктура (0.11/14.4); (b) магниторазбавленный полупроводник (FM1) и гетероструктура (0.11/2.5); энергия возбуждения 1.96 эВ; зависимость снята при температуре 5 К. Стрелка обозначенная как laser показывает энергию возбуждения. Стрелка обозначенная 0 показывает энергию рекомбинации электронов из точки рождения. Фотолюминесценция, обусловленная рекомбинацией с уровней двойного донора марганца на уровень дырок в спин-орбитально отщеплённой подзоне, обозначена стрелкой Eg+Д
при концентрации n ~ 1021 см-3, что соответствует процентному содержанию марганца 1 - 2%. Соотношение (5) с учётом расщепления уровня в примесную зону записывается следующим образом:
(7)
где Д - ширина примесной зоны. Именно, формирование примесной зоны и объясняет сдвиг в высокочастотную область начала спектра ГФЛ (точка '0') в образце с наименьшей шириной слоёв GaAs.
Сравнивая спектры сверхрешётки с наименьшим расстоянием между д - слоями (2.5нм) и объёмного образца FM1 (рис. 5(б)) видно, что они имеют схожую структуру. В то время как спектр СР с самой большой толщиной слоя GaAs (14.4нм) похож на спектр, полученный от образца DLT (рис. 5(а)).
Основываясь на том, что число д - слоёв во всех сверхрешётках одинаково (40) и фоновый уровень марганца в областях GaAs не будет зависеть от толщины разделяющего слоя, естественно предположить, что структура спектров сверхрешёток с разными толщинами слоёв GaAs будет одинакова. Однако, в силу того что реальное распределение марганца отличается от идеального (см. рис.1(а)), т.е. 80% марганца в первом монослое и 20% в соседних монослоях это предположение не подтвердилось, что видно из рисунка 5.
Высоко энергетичный хвост люминесценции во всех образцах объясняется излучательной рекомбинацией горячих электронов из точки рождения на уровни одиночных Mn или в примесную зону образованную Mn, что пояснено схемой переходов на рисунке 6(а). Обсудим особенности спектров ГФЛ в наших гетероструктурах и их зависимость от расстояния между д - слоями. Прежде всего обращает на себя внимание тот факт, что интенсивность спектра ГФЛ уменьшается при уменьшении энергии рекомбинирующих электронов. Этот спад интенсивности можно объяснить важной ролью безызлучательной рекомбинации в формировании спектра ГФЛ. Наличие дефектов обуславливает безызлучательные переходы электронов на уровни дефектов при их релаксации к дну зоны, в результате чего число, рекомбинирующих на уровни акцепторов, носителей, дающих вклад в люминесценцию, уменьшается согласно выражению (4) (см. переходы 0-D на рис.3).
Рис. 6 Схема, поясняющая переходы в GaAs:Mn. (а) возбуждение горячих электронов, их релаксация к дну зоны и рекомбинация на уровни донора марганца А0(MnА). (б) возбуждение дырок в спин-орбитально отщеплённую подзону, их релаксация к потолку подзоны и излучательная рекомбинация с электронами на уровне донора или электронами безызлучательно релаксировавшими на его уровень. hh - подзона тяжёлых дырок; lh - подзона лёгких дырок; sh - спин-орбитально отщеплённая подзона; двойная стрелка обозначенная дЕ показывает энергию равную сумме (4); А0(MnА) - уровень или примесная зона нейтральных акцепторов марганца; D0(Mni) - уровень двойных доноров марганца; с - зона проводимости; 0 - точка рождения горячих электронов; стрелка в форме дуги помеченная 1LO показывает релаксацию электронов к дну зоны с испусканием одного LO фонона; волнистой стрелкой на рисунке (б) показана безызлучательная релаксация электронов на уровень доноров; стрелками вверх на рисунках (а) и (б) показана фотогенерация электронов и дырок; стрелками вниз на рисунках (а) и (б) показана излучательная рекомбинация носителей; заполненные кружки на рисунке (а) показывают уровни в примесной зоне на которых сидят дырки, а пустые кружки показывают уровни с электронами.
Важной особенностью спектров ГФЛ структур с малым расстоянием между слоями (0.11/2.5) является сдвиг высоко энергетичной ступеньки 0 в спектре ГФЛ в синюю область по сравнению с легированным образцом DLT (сравните спектры (0.11/2.5) и DLT на рис. 5). Этот сдвиг обусловлен формированием примесной зоны, как это следует из выражения (7).
Обсудим теперь причины приводящие к красному сдвигу ступеньки ГФЛ 0 при увеличении расстояния между слоями.
Мы полагаем, что это красное смещение хвоста ГФЛ объясняется влиянием слоёв GaAs на д - слои. Поскольку в областях GaAs имеется большое число доноров, то электроны этих доноров могут заметно влиять на свойства д - слоёв. Пришедшие из разделяющих слоёв GaAs электроны начинают компенсировать дырки в примесной зоне, тем самым смещая уровень Ферми в глубину запрещенной зоны. Таким образом, увеличение толщины слоёв GaAs приводит к увеличению числа электронов приходящих в д - слои, которые в свою очередь начинают зап