Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 3, стр. 401-406

ВВЕДЕНИЕ

Получение и применение материалов с квантоворазмерными структурами способствовало выведению современной электроники и фотоники на принципиально новый качественный уровень. Современные научные изыскания направлены на дальнейшее развитие возможностей вновь создаваемых приборов и повышение качества их работы. Особый научный интерес в связи с многочисленными практическими приложениями представляют процессы, протекающие в квантовых точках при комнатных температурах. Хорошим примером может служить цикл исследований квантовых точек в твердотельных нанокомпозитах, выполненных с помощью люминесцентной спектроскопии [1–3] и фотонного эха [4–10]. В данной работе описано исследование нового типа квантоворазмерных объектов, представляющих собой ловушки экситонных состояний, локализованные на наноразмерных зонах поверхностных дефектов кристаллической структуры волокон текстурированных тонких пленок полупроводника.

В работе [11] сообщается о получении таких квантоворазмерных ловушках экситонов с помощью технологии магнетронного распыления. При этом тонкие пленки формируются в виде волокон, находящихся в кристаллической фазе и ориентированных преимущественно ортогонально по отношению к плоскости подложки. Расстояние между волокнами заполнено мелкодисперсной рентгеноаморфной фазой напыляемого вещества. На границе этих двух фаз на поверхности кристаллических волокон формируется большое количество дефектов кристаллической структуры распыляемого материала вследствие высокой кривизны этой поверхности. Сами кристаллические волокна имеют поперечные линейные размеры в среднем около 100 нм. Эти размеры зависят от распыляемого материала и параметров технологического режима формирования пленок. В силу малого размера волокон на их поверхности возникают зоны поверхностных дефектов, разделенные замкнутыми линиями из неповрежденных (или слабо поврежденных) участков. Такая замкнутая линия ограничивает находящиеся внутри нее дефектные участки кристаллической решетки, образуя зоны локализации экситонов. Размеры этих зон с поверхностными дефектами составляют в среднем 10 нм. На поврежденных участках кристаллической решетки внутри этих зон энергия возбуждения квантовых уровней значительно ниже, чем на не поврежденных. Поверхность распределения энергии квантовых уровней внутри зон имеет форму лунки (рис. 1). При возбуждении сигналов фотонного эха на таких локально ограниченных в объеме зонах поверхностных дефектов кристаллической структуры волокон пленки были обнаружены свойства, характерные для кванторазмерных объектов [12].

Рис. 1.

Изображение скола тонкой пленки, полученной методом магнетронного распыления: l – максимальный линейный размер зоны максимальной локализации дефектов кристаллической поверхности; Е – энергия возбуждения экситонного состояния; Х – координата поверхностных дефектов кристаллической решетки вдоль максимального линейного размера зоны их локального скопления.

При реализации двухфотонного (на длине волны 400 нм) возбуждения квантовых уровней полупроводника, расположенных в запрещенной зоне, лазерным излучением с длиной волны 800 нм и интенсивностью, достаточной для создания высокой концентрации экситонных состояний, реализуются условия для возбуждения и локализации экситонных состояний внутри наноразмерных зон поверхностных дефектов. При интенсивностях лазерного излучения, обеспечивающих небольшие концентрации локализованных экситонов внутри этих зон, в результате превышения энергии теплового движения локализованных экситонов, большинство из них высвобождаются из ловушки и далее распадается. При высоких интенсивностях возбуждающего лазерного излучения концентрация локализованных экситонов превышает то количество, которое вследствие энергии теплового движения способно покинуть ловушку. В результате на квантовых уровнях поверхностных дефектов кристаллической решетки, расположенных внутри наноразмерных зон, возникает экситонный газ. В результате электрон-фононного взаимодействия частицы экситонного газа теряют часть энергии и опускаются на более низкие квантовые уровни ловушки. При этом даже при комнатной температуре происходит охлаждение и диполь-дипольное взаимодействие экситонов с образованием конденсата на дне ловушки. В случае применения трехслойной пленки Si(P)/Si(B)/ZnO в основном полупроводнике ZnO, благодаря пленкам легированного кремния, обеспечивается транспорт к месту возбуждения экситонов донорных дырок. Эти дырки, обладая относительно электронов энергией, равной энергии возбуждения экситона, но имея противоположный спин, при взаимодействии с возбужденным экситонным состоянием создают более сложное состояние (заряженного положительного экситона), называемое трионом. Плотность трионов на дне ловушки выше и образование конденсата происходит интенсивнее. Таким образом, под воздействием переднего фронта возбуждающего лазерного импульса на длине волны 800 нм в трехслойной пленке в режиме двухквантового возбуждения формируются трионные состояния. Трионы формируются на переходе, соответствующем возбуждению излучением с длиной волны 400 нм, и в результате локализации в ловушке, представленной зоной поверхностных дефектов кристаллической решетки, формируют конденсат на дне ловушки и трионный газ в ее верхней части. Поскольку перепад энергии квантовых уровней в ловушке значительно превышает уровень возбуждения экситонных состояний внутри ловушки, осуществляемого излучением на длине волны 800 нм, то основная часть и задний фронт первого возбуждающего импульса и последующие возбуждающие лазерные импульсы, подаваемые на пленку, возбуждают суперпозиционное состояние и обеспечивают формирование сигналов фотонного эха между парами трионных состояний как в трионном газе, так и в трионном конденсате. Изучению этих состояний трионов и посвящена данная работа. Также уделяется внимание вопросам совершенствования технологии получения новых видов кванторазмерных объектов, ловушек экситонных и трионных состояний, на базе наноразмерных зон поверхностных дефектов кристаллической решетки текстурированных тонких полупроводниковых пленок. При регистрации релаксационных спадов эхо-сигналов установлено соотношение между вкладом спин-электронных взаимодействий и экситон-фононных взаимодействий в однородное уширение уровней квантового перехода между двумя трионными состояниями, локализованными в ловушке. Тем самым было показано влияние фононов на конденсацию трионов. Определено значение интенсивности возбуждающего лазерного излучения (более 0.5 ТВт ∙ см^–2), обеспечивающее пороговый уровень концентрации трионов, при котором возможно образование конденсата в тонких текстурированных полупроводниковых пленках при комнатной температуре. В работе [13] были измерены спектры эхо-сигнала, формируемого как в трионном газе на основной частоте возбуждающего излучения, так и в экситонном конденсате. В результате диполь-дипольного и экситон-фононного взаимодействий происходит передача энергии фононам от локализованных в ловушке экситонов, возбужденных излучением на 400 нм (в режиме двухквантового поглощения лазерного излучения на длине волны 800 нм). На охлажденных экситонах в одноквантовом режиме поглощения формируется сигнал фотонного эха с более узким однородно-уширенным спектром конденсата, с максимумом, сдвинутым в сторону более высоких энергий относительно центральной частоты возбуждения. По мере увеличения временного интервала между первым и вторым возбуждающими импульсами (увеличения времени наблюдения в пределах интервала формирования сигнала первичного фотонного эха) наблюдали увеличение интенсивности эхо-сигнала на частоте, смещенной в более коротковолновую область относительно центральной частоты эхо-сигнала. Также необходимо отметить, что в работе [14] были представлены результаты обнаружения эффекта нефарадеевского поворота плоскости линейной поляризации стимулированного фотонного эха на положительно заряженных экситонных состояниях в трехслойной пленке Si(P)/Si(B)/ZnO.

УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

В эксперименте были решены три задачи. Первая задача включала в себя отработку технологии получения трехслойной пленки Si(P)/Si(B)/ZnO с равномерно распределенной повторяющейся формой кристаллических волокон, содержащей кванторазмерные ловушки (зоны поверхностных дефектов) экситонов с наименьшим разбросом форм. Вторая задача – реализовать технологию получения трехслойной пленки Si(P)/Si(B)/ZnO с нанесением с двух сторон каждого слоя токопроводящих электродов. Путем подачи определенных разностей электрических потенциалов на пару электродов можно управлять процессом образования трионов, включая соотношение между объемом трионного газа и его конденсатом, и управлять функциональными характеристиками полученных состояний. Третья задача заключалась в разработке и применении методики оценки вклада экситон-фононного взаимодействия в механизмы однородного уширения спектральных линий между трионными состояниями в пределах одной ловушки.

В эксперименте по наблюдению спада стимулированного фотонного эха в трехслойной пленке, возникающего при увеличении временного интервала между возбуждающими импульсами, изучали особенности быстрого и медленного спадов интенсивности эхо-сигнала. Таким образом можно было определить вклад в однородное уширение резонансных спектральных линий экситон-фононных взаимодействий. При этом был зафиксирован фотонный вклад в однородную ширину, превышающий в среднем в три раза уширение от экситон-экситонного взаимодействия. Измерения проводили как без приложения к резонансной среде продольного однородного магнитного поля, так и при его наличии. Благодаря воздействию магнитного поля наблюдалось многократное увеличение времени релаксации.

На рис. 1 показано изображение скола тонкой пленки, полученной методом магнетронного распыления. На сколе видны профили кристаллических волокон пленки, которые увеличиваются в объеме по мере приближения к основанию волокна. Схематично увеличен участок на поверхности волокна, и показаны уровни энергии поверхностных дефектных узлов кристаллической решетки этого волокна. В плоскости полученного среза волокна показана в форме лунки зона с линейным размером l. Также видны участки с регулярной (неповрежденной) кристаллической структурой по краям лунки и участки с нарастающим дефектом по мере приближения к центру зоны. Сверху показана диаграмма распределения энергии возбуждения экситонов по сечению поверхности волокна. Возбужденные в пленке и локализованные в этой зоне экситоны со всех сторон ограничены энергетическими барьерами. При этом верхнее ограничение определяется малой энергией теплового движения экситона по сравнению с энергией возбуждения экситона на краях зоны. В то же время экситоны, локализованные внутри зоны поверхностных дефектов, могут мигрировать внутри зоны с одного дефекта на другой, и испытывать упругие и неупругие столкновения между собой, как обычный газ. В отличие от поведения частиц газа, локализованные экситоны взаимодействуют с фононами кристаллической решеткой волокна, что вносит вклад как в однородное уширения квантового перехода, так и в формирование трионного конденсата.

Технология получения трехслойной пленки включала в себя оптимизацию параметров технологического режима и контроль получаемой поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ, комплекс NT-MDTNTEGRA Prima) и химического состава пленки с помощью электронного микроскопа VEGA3 SB. Были оптимизированы такие параметры технологического режима как температура, ток разряда, плотность тока, его мощность на мишени, величина индукции магнитного поля, рабочее давление инертного газа аргона и рабочего газа кислорода.

Технология получения образца трехслойной пленки Si(P)/Si(B)/ZnO со встроенными электродами с обеих сторон всех слоев пленки включала разработку масок для напыления каждого слоя пленок и соответствующего электрода на определенном участке подложки. Также были оптимизированы технологические режимы нанесения каждого из слоев пленки и хромовых электродов. Форму напыляемых электродов и рабочих слоев пленки контролировали при помощью видеокамеры, а форму волокон пленки – с помощью электронного микроскопа.

Далее выполнили оценку вклада экситон-фононного взаимодействия в однородное уширения спектральных линий трионных состояний путем изучения быстрого и медленного спадов интенсивности сигнала стимулированного фотонного эха при наличии продольного однородного магнитного поля и без него. Для этого анализировали кривые спада интенсивности сигналов стимулированного фотонного эха в зависимости от величины временного интервала между вторым и третьим возбуждающими импульсами. При этом первый и второй возбуждающие импульсы совмещали по времени, но разделяли (направляли на образец под углом не менее 8° друг к другу). График подобного спада показан на рис. 2. На участке быстрого спада между точками “В” и “1” и точками “Г” и “2” выбирали по 30 пар точек с различными значениями координат и по специальной методике определяли значения времени Т₁ и обратные им значения однородного уширения квантовых уровней резонансного перехода. Вычитая из значения ширины квантового уровня, полученного для участка быстрого спада, ширину для участка медленного спада эхо-сигнала, получали величину вклада в однородную ширину квантового уровня экситон-фононных взаимодействий.

Рис. 2.

График кривой спада стимулированного фотонного эха в трехслойной пленке Si(P)/Si(B)/ZnO при увеличении временного интервала между вторым и третьим возбуждающими импульсами τ₂₃ (при временном интервале τ₁₂, равном нулю). ЧВС – сигнал четырехволнового смешения; СФЭ – стимулированное фотонное эхо.

Определяя величины однородного уширения квантовых уровней резонансного перехода для быстрых и медленных спадов стимулированного фотонного эха, возбуждаемого при наличии магнитного поля (см. рис. 3 в работе [15]), снятые при различных комбинациях временных интервалов между первым и вторым возбуждающими импульсами, определили степень влияния продольного однородного магнитного поля на механизм однородного уширения квантовых уровней резонансного перехода.

Рис. 3.

Варианты полученных трехслойных пленок Si(P)/Si(B)/ZnO и их химический состав: а – изображения, полученные при сканировании на зондовом микроскопе поверхности трехслойной пленки с различными режимами напыления: среднее значение высоты волокон – 50 нм (вариант “А”), 65 нм (вариант “Б”) и 65 нм (вариант “В”). Вариант “В” – наиболее оптимальный; б – макет образца резонансной среды для исследования свойств характеристик трионных состояний.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты оптимизации параметров технологического процесса получения пленок приведены в табл. 1. Полученные оптимальные параметры технологического процесса не превышают значения, допустимые для установки магнетронного распыления. На рис. 3а показаны сканы поверхностей трехслойных пленок, изготовленных при различных параметрах технологического процесса. Полученный вариант “В” пленки имеет наиболее однотипную текстуру, поэтому он использовался для исследования трионных состояний. Полученный химический состава пленки показал наличие посторонних примесей, которые в большинстве не превышают 1%. Содержание олова и кальция составляет 1.5 и 4.5% соответственно, что достаточно много. Поэтому для получения удовлетворительных результатов оптической эхо-спектроскопии следует уделить внимание более тщательной очистке вакуумной камеры от следов предшествующих экспериментов, выполнявшихся с другими мишенями. Посторонние примеси могут оказывать влияние на проводимость трехслойной пленки при изменении параметров окружающей среды. Проведенный отжиг полученных пленок при температуре 300°С в течение 30 минут позволил снизить сопротивление на парах электродов с 9.9 ГОм до десятков кОм: минимальное значение сопротивления составило 10.3 кОм, а максимальное 195.7 кОм. По результатам измерения сопротивления между электродами, встроенными в конструкцию трехслойной пленки, удалось установить наличие p–n-перехода, а следовательно, и возможность управления диффузией электронов и дырок путем воздействия на него электрического напряжения. Это безусловно окажет влияние на процесс формирования трионных состояний.

Таким образом, путем сопоставления быстрого и медленного спада сигналов стимулированного фотонного эха по мере увеличения временных интервалов между вторым и третьим возбуждающими лазерными импульсами, установлено, что доля вклада фононного крыла в однородное уширения спектральной линии из-за экситон-фононного взаимодействия в разных образцах примерно в 3 раза превышает обычное однородное уширение. Обнаружено влияние продольного однородного магнитного поля на величину неоднородного уширения квантовых уровней резонансного перехода. Определение механизмов этого влияния требует проведения дополнительных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что методом магнетронного распыления можно создавать тонкие текстурированные пленки, для которых поверхностные дефекты кристаллической решетки волокон в виде наноразмерных зон являются ловушками экситонных состояний. Установлено, что в результате электрон-фононного взаимодействия в ловушках экситонов и трионов при комнатной температуре формируется как экситонный газ, так и его конденсат. Однородное уширение, из-за влияния фононов кристаллической решетки волокон пленки, может возрастать в несколько раз.

Авторы выражают глубокую благодарность д. ф.-м. н., профессору С.А. Моисееву за идею осмысления полученных экспериментальных результатов как эффектов, реализуемых в трионном конденсате при комнатной температуре.