Transcript Узкозонный полупроводник CdHgTe и гетероструктуры на его

Узкозонный полупроводник
CdxHg1-xTe и гетероструктуры
на его основе
М.С. Жолудев
научные руководители: В. Я. Алешкин, В.И. Гавриленко
Неприводимые представления группы
симметрии кристалла
ZnS, GaAs, CdTe
• Функции Блоха делятся на
подмножества, по их принадлежности
неприводимым представлениям
• Функции, принадлежащие одному НП
можно перевести одну в другую
преобразованием, переводящим
кристаллическую решетку саму в себя
• Функции, принадлежащие разным НП
нельзя перевести друг в друга никаким
преобразованием, переводящим
кристаллическую решетку саму в себя
Функции s и p типа
Функции s типа
Образуют зону Г6
Функции p типа
Образуют зоны Г7 и Г8
Зонная структура CdTe и HgTe
CdTe
HgTe
зона проводимости
инвертированная
зонная
структура
нормальная
зонная
структура
валентная зона
причина инверсии – сильное спин-орбитальное
взаимодействие: ΔSO =1.1 эВ
Особенности инвертированной
зонной структуры
• Создание узкозонных материалов и
гетероструктур
приемники и источники терагерцового излучения
на межзонных переходах
• Яркие спиновые эффекты в зоне
проводимости
спинтроника
Узкозонные твердые растворы
A .Rogalski
HgCdTe infrared detector
material: history, status
and outlook
Rep. Prog. Phys. 68, 2267 (2005)
Фотоприемники среднего и дальнего ИК
диапазона на твердых растворах CdHgTe
Фотопроводник
CdHgTe
Фотоприемники среднего и дальнего ИК
диапазона на твердых растворах CdHgTe
Фотодиод
Матрица из 2048x2048
приемников на твердом
растворе CdHgTe
λ = 1 – 3 мкм
Quantum-Well Infrared Photodetector
(QWIP)
Материалы:
GaAs, AlGaAs
B.F.Levine
Quantum-well infrared photodetectors
J. Appl. Phys. 74, R1 (1993)
Фотоприемники среднего и дальнего ИК
диапазона на твердых растворах CdHgTe
Отношение скорости генерации носителей светом
к скорости тепловой генерации носителей
A .Rogalski
HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook
Rep. Prog. Phys. 68, 2267 (2005)
Недостатки твердого раствора
• Только один управляющий параметр
• Флуктуации состава размывают края зон
Запрещенная зона не должна быть слишком узкой
Твердый раствор не годится для терагерцовых приборов
Зависимость зонной структуры от
ширины КЯ HgTe/CdTe
60
1-я подзона
зоны проводимости
1-я валентная подзона
2-я валентная подзона
3-я валентная подзона
Энергия при k=0, мэВ
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
40
50
60
70
80
90
100
Ширина квантовой ямы, Å
110
120
Ширина запрещенной зоны в
КЯ Hg1-xCdxTe/CdTe
Ширина запрещенной зоны, мэВ
80
x=0
x=0.04
x=0.08
x=0.12
70
60
Инверсия
50
40
30
20
10
0
40
60
80
100
120
140
Ширина квантовой ямы, Å
160
180
Структура валентной зоны
смешивание s и p состояний
сильная непараболичность
прямая зона
полуметалл
n≠0
непрямая зона
Непрямозонные гетероструктуры
HgTe / CdTe
100
прямая зона
непрямая зона
80
60
40
20
0
40
60
80
100
120
Ширина квантовой ямы, Å
Hg0.87Cd0.13Te / CdTe
60
140
160
Ширина запрещенной зоны, мэВ
Ширина запрещенной зоны, мэВ
120
50
прямая зона
непрямая зона
40
30
20
10
0
100
150
200
250
300
350
400
Ширина квантовой ямы, Å
450
500
Исследуемые структуры
C.R.Becker, V.Latussek, A.Pfeuffer-Jeschke,
G.Landwehr, and L.W.Molenkamp
Band structure and its temperature
dependence for type-III HgTe/Hg1-xCdxTe
superlattices and their semimetal constituent
Phys. Rev. B, 62, 10353 (2000)
Структуры, выращенные
на плоскостях
(001)
и
(112)B
N.N.Mikhailov, R.N.Smirnov, S.A.Dvoretsky,
Yu.G.Sidorov, V.A.Shvets, E.V.Spesivtsev
and S.V.Rykhlitski
Growth of Hg1–xCdxTe nanostructures
by molecular beam epitaxy
with ellipsometric control
Int. J. Nanotechnology, 3, 120 (2006)
Модель Кейна
CdTe
HgTe
E.G.Novik, A.Pfeuffer-Jeschke, T.Jungwirth, V.Latussek, C.R.Becker,
G.Landwehr, H.Buhmann, and L.W.Molenkamp.
Band structure of semimagnetic Hg1−yMnyTe quantum wells
Phys. Rev. B 72, 035321 (2005)
Зонная структура КРТ091225-1
-20
Ec
Ev
Ev2
-40
E, meV
Ev3
-60
mтеор ≥ 0.002 m0
mc ~ 0.003 m0
-80
-100
0,00
0,01
0,02
k(100), Å
-1
0,03
Графеноподобный закон дисперсии
Расчет для 70 Å КЯ HgTe/CdTe (013)
Ec1
Ev1
Ev2
40
Энергия, мэВ
20
0
-20
ve = vh = 5.6*107 см/с
-40
-60
-80
-100
0,000
0,005
0,010
kx, Å
-1
0,015
0,020
Спектры фотопроводимости
при T = 4.2 K
1,2
Нормированный фототок
опт. фононы CdHgTe
1,0
опт. фонон GaAs
(подложка)
0,8
0,6
0,4
КРТ091225-1
прямоугольная яма Hg0.87Cd0.13Te/Cd0.7Hg0.3Te
d = 300 Å
0,2
КРТ081119-1
треугольная яма Hg1-xCdxTe/CdTe
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
Частота излучения, ТГц
16
18
20
Спиновые эффекты
s
L≈0
p
L≈1
больше орбитальный момент
сильнее спин-орбитальное
взаимодействие
Эффект Рашбы
Ю.А.Бычков, Э.И.Рашба.
Свойства двумерного электронного газа
со снятым вырождением спектра
Письма в ЖЭТФ 39, 66 (1984)
Спин-орбитальное взаимодействие
Несимметричная гетероструктура
Спиновое расщепление
2 2

 k

E (k ) 
 k
2m *
Эффект Рашбы для зон s и p типа
X.C.Zhang, A.Pfeuffer-Jeschke, K.Ortner, V.Hock, H.Buhmann, C.R.Becker, and G.Landwehr.
Rashba splitting in n-type modulation-doped HgTe quantum wells with an inverted band structure
Phys. Rev. B 63, 245305 (2000)
Циклотронный резонанс
Расщепление линии
циклотронного резонанса
M.Schultz, F.Heinrichs, U.Merkt, T.Colin, T.Skauli and S.Lovold.
Rashba spin splitting in a gated HgTe quantum well
Semicond. Sci. Technol. 11, 1168 (1996)
Концентрация носителей
одной ветки:
Расщепление линии
циклотронного резонанса
К.Е.Спирин, А.В.Иконников, А.А.Ластовкин, В.И.Гавриленко,
С.А.Дворецкий, Н.Н.Михайлов.
Спиновое расщепление в гетероструктурах HgTe/CdHgTe
(013) с квантовыми ямами
Письма в ЖЭТФ. 92, 65 (2010)
Осцилляции
Шубникова – де Гааза
Т.Андо, А.Фаулер, Ф.Стерн.
Электронные свойства двумерных систем
М.: Мир, 1985
Биения осцилляций Шубникова – де Гааза
M.Schultz, F.Heinrichs, U.Merkt, T.Colin,
T.Skauli and S.Lovold.
Rashba spin splitting in a gated HgTe
quantum well
Semicond. Sci. Technol. 11, 1168 (1996)
К.Е.Спирин, А.В.Иконников,
А.А.Ластовкин, В.И.Гавриленко,
С.А.Дворецкий, Н.Н.Михайлов.
Спиновое расщепление в
гетероструктурах HgTe/CdHgTe (013)
с квантовыми ямами
Письма в ЖЭТФ. 92, 65 (2010)
Фурье-анализ осцилляций
Шубникова – де Гааза
К.Е.Спирин, А.В.Иконников, А.А.Ластовкин, В.И.Гавриленко,
С.А.Дворецкий, Н.Н.Михайлов.
Спиновое расщепление в гетероструктурах HgTe/CdHgTe
(013) с квантовыми ямами
Письма в ЖЭТФ. 92, 65 (2010)
КОНЕЦ