Узкозонный полупроводник Cd x Hg 1-x Te и гетероструктуры на его основе М.С. Жолудев научные руководители: В. Я. Алешкин, В.И. Гавриленко

Неприводимые представления группы симметрии кристалла 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 ZnS, GaAs, CdTe

Функции s и p типа Функции s типа Образуют зону Г 6 Функции p типа Образуют зоны Г 7 и Г 8

Зонная структура CdTe и HgTe нормальная зонная структура инвертированная зонная структура CdTeHgTe зона проводимости валентная зона причина инверсии – сильное спин-орбитальное взаимодействие: Δ SO =1.1 эВ

Особенности инвертированной зонной структуры Создание узкозонных материалов и гетероструктур Яркие спиновые эффекты в зоне проводимости приемники и источники терагерцового излучения на межзонных переходах 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 CdHgTe Фотопроводник

Фотоприемники среднего и дальнего ИК диапазона на твердых растворах CdHgTe Матрица из 2048x2048 приемников на твердом растворе CdHgTe λ = 1 – 3 мкм Фотодиод

Quantum-Well Infrared Photodetector (QWIP) B.F.Levine Quantum-well infrared photodetectors J. Appl. Phys. 74, R1 (1993) Материалы: GaAs, AlGaAs

Фотоприемники среднего и дальнего ИК диапазона на твердых растворах CdHgTe A.Rogalski HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook Rep. Prog. Phys. 68, 2267 (2005) Отношение скорости генерации носителей светом к скорости тепловой генерации носителей

Недостатки твердого раствора Только один управляющий параметр Флуктуации состава размывают края зон Твердый раствор не годится для терагерцовых приборов Запрещенная зона не должна быть слишком узкой

Зависимость зонной структуры от ширины КЯ HgTe/CdTe

Ширина запрещенной зоны в КЯ Hg 1-x Cd x Te/CdTe Инверсия

Структура валентной зоны непрямая зона полуметалл n 0 смешивание s и p состояний сильная непараболичность прямая зона

Непрямозонные гетероструктуры

Исследуемые структуры N.N.Mikhailov, R.N.Smirnov, S.A.Dvoretsky, Yu.G.Sidorov, V.A.Shvets, E.V.Spesivtsev and S.V.Rykhlitski Growth of Hg 1–x Cd x Te nanostructures by molecular beam epitaxy with ellipsometric control Int. J. Nanotechnology, 3, 120 (2006) C.R.Becker, V.Latussek, A.Pfeuffer-Jeschke, G.Landwehr, and L.W.Molenkamp Band structure and its temperature dependence for type-III HgTe/Hg 1-x Cd x Te superlattices and their semimetal constituent Phys. Rev. B, 62, (2000) (001) и (112)B Структуры, выращенные на плоскостях

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 Hg 1y Mn y Te quantum wells Phys. Rev. B 72, (2005)

Зонная структура КРТ m теор m 0 m c ~ m 0

Графеноподобный закон дисперсии Расчет для 70 Å КЯ HgTe/CdTe (013) v e = v h = 5.6*10 7 см/с

Спектры фотопроводимости при T = 4.2 K КРТ прямоугольная яма Hg 0.87 Cd 0.13 Te/Cd 0.7 Hg 0.3 Te d = 300 Å КРТ треугольная яма Hg 1-x Cd x Te/CdTe опт. фононы CdHgTe опт. фонон GaAs (подложка)

Спиновые эффекты s L0L0 p L1 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

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, (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 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) 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)

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