CC BY
12
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА КЯ CdTe/Hgi_xCdxTe/CdTe ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ ВЕЛИЧИНЫ РАЗРЫВА ЗОН, ШИРИНЫ ЯМЫ И СОСТАВА x
Е. А. Мслсжик, Ж. В. Гумснюк-Сычсвская
Гетероструктуры, CdTe/CdxHgi-xTe/CdTe сегодня привлекают большой интерес и являются, весьма перспективными для, разработки детекторов терагерцово-го излучения нового поколения. Однако свойства, таких структур на, сегодня, в литературе изучены недостаточно. В работе проведено теоретическое моделирование энергетического спектра, и вол,новых функций ге-
x i-x
значений ширины, ямы,, разрыва, валентных зон и состава, x в диапаз о не 0 < x < 0.16. Изучены характерные особенности поведения, энергетических уровней двумерны,х
x
лучен критерий для, определения, количества, электронных уровней ниже дна, зоны, проводимости, применимый для, составов 0 < x < 0.16. Проведены расчеты времени релаксации двумерны,х электронов на, продольны,х оптических фононах.
Ключевые слова: гетероструктуры. квантовые ямы. двумерные электроны.
Сегодня исследованию ТГц-излучения и методов его детектирования уделяется значительное внимание. ТГд-детекторьт могут быть использованы во многих областях. начиная от изучения космоса и до медицины. Одними из наиболее перспективных материалов для создания таких детекторов считаются гетероструктуры CdTe/CdxHgl-xTe/CdTe. В диапазоне значений состава 0 < x < 0.16, материал
x i-x
x i-x
чать высокую подвижность локализованных в яме электронов, что открывает широкие
Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарева НАНУ, Украина, Киев, 03028, пр. Науки, 41. e-mail: emelezhik@gmail.com
И
возможности к созданию детекторов ТГц-диапазона с более высокой чувствительностью.
Однако свойства таких материалов в литературе на сегодня исследованы достаточно слабо. Так. существует множество экспериментальных значений для величины разрыва ВШ16НТНЫХ зон А на гетероинтерфейсе CdTe/CdHgTe, которые варьируются от 40 и 80 до 350 и 550 мэВ [1. 2]. Другими недостаточно исследованными на сегодня аспектами являются свойства Cd^Hgi^Te при ненулевых значениях 0 < x < 0.16. Однако именно при таких составах реализуется наименьшая эффективная масса электронов и их максимальная подвижность.
Поэтому целью данной работы является теоретическое моделирование энергетических спектров и волновых функций электронов в квантовой яме (КЯ) CdTe/Cd^Hg1_^Te/CdTe и установление их характерных особенностей при различных значениях ширины ямы Ly разрыва валентных зон аА и состава x. В ходе работы нами были получены следующие результаты.
Волновые функции имеют пик на гетероинтерфейсах. При x = 0 волновые функции электронов двух нижних уровней локализованы на интерфейсах и быстро затухают внутри ямы. С увеличением номера уровня волновая функция больше осциллирует внутри ямьт. что оттягивает туда вероятность найти электрон.
Установлено, что изменение состава x в диапазоне 0 < x < 0.16, позволяет изменить
x=0
вые функции электронов имеют пики на гетероинтерфейсах и быстро затухают внутри
x
ся. Это приводит к изменению механизма рассеяния таких электронов. Если в первом случае доминирующим механизмом было рассеяние на неровностях гетероинтерфейсов. x
становится рассеяние внутри квантовой ямы. В частности, при азотных температурах рассеяние на продольных оптических фононах. Таким образом. x
возможен расчет времен релаксации и подвижностей электронов без учета интерфейсных механизмов релаксации, включающих в себя подгоночные экспериментальные параметры. Важность данного результата состоит в том. что именно гетероструктурьт с большими x наиболее перспективными.
x А L
сравнению с более высокими. С другой стороны, энергия первого уровня при изменении величины А
основным уровнем и дном зоны проводимости ямы определяется преимущественно величиной разрыва валентных зон. При постоянных х и Ь изменение А сильнее всего влияет на энергии первых двух уровней.
Также отметим появление в зависимости спектра от ширины ямы такого эффекта, как "слипание" первого и второго энергетических уровней при увеличении ширины ямы. Интересно отметить, что хотя разница в энергиях между этими уровнями может быть очень мала, тем не менее им соответствуют две различные волновые функции.
Установлено, х
положений всех энергетических уровней электрона в яме. Интересно, что такое уве-хА
первьтм возбужденными уровнями, что существенно повлияет на времена релаксации локализованных электронов в такой гетероструктуре по сравнению со случаем х = 0.
А
ньт проводимости ямы. В работе получен критерий для определения количества таких уровней. Он определяет, что ниже дна зоны будут находиться два уровня в том случае. Ь
где Еа(х,Т) - ширина запрещенной зоны С^НА - разрыв зон Г8 барьера и ямы, V - разрыв зон Г6 барьера и ямы, аР = 8.3 • 10_8 эВ-см - оптический матричный элемент.
х
пазона 0 < х < 0.16, и позволяет определить количество таких уровней, исходя из состава, ширины ямы и разрыва валентных зон. Отметим, что данный критерий коррелирует с более ранними результатами других авторов [2], полученных для квантовой
где ша и шв - эффективные массы в зоне проводимости ямы и барьера соответственно. В частности, ширина ямьт, при которой второй уровень пересекает дно зоны проводимости ямы, обратно пропорциональна корню из разрыва валентных зон.
Также получены предварительные результаты для расчета времени релаксации двумерных электронов на продольных оптических фононах. Эти времена составляют порядка 10_10 — 10_11 сек.
Ь >
8Р 2 (Еа(х,Т) + К) 3Еа(х,Т)2 • А
ямы Сс1Те/Ь^Те/Сс1Те:
ЛИТЕРАТУРА
[1] P. M. Hui, H. Ehrenreich, X. F. Johnson, Vac. Sci. Technol. A 7(2), (1989).
[2] M. von Truchsess, V. Latussek, C. R. Becker, E. Batke, J. Cryst. Growth. 159, 1128 (1996).
[3] Gerald Bastard, Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures (Halsted Press, New York, 1988).
По материалам 3 Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных ■исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 3 ноября 2009 г.
