Сотрудники Физического института им.П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) получили детальную картину фазового перехода в квазидвумерном полупроводнике - германий-кремниевой квантовой яме (Si1-xGex/Si) - от так называемого экситонного газа к электронно-дырочной плазме. В результате, исследователям удалось подтвердить, что в процессе фазового превращения происходит образование электронно-дырочной жидкости, обнаружить которую для данного типа структур до сих пор не удавалось.
Фазовый переход - это изменение порядка в системе атомов и молекул, например, плавление, кристаллизация или конденсация пара в жидкость. Достаточно давно было показано, что фазовые переходы могут происходить и в системе свободных носителей заряда (электронов и дырок), например, в полупроводниках. Непринципиальные на макроуровне подобные фазовые переходы могут оказывать существенное влияние на работу полупроводниковых приборов. В этой нише приборостроения сейчас все чаще используются наноразмерные объекты, которые в отличие от «объемного» мира можно считать двумерными, одномерными или нульмерными (движение электронов в них ограничено в одном, двух или даже всех трех направлениях). Это так называемые квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки.
«Мы исследовали двумерную систему – германий-кремниевую квантовую яму. Она представляет собой кремниевую подложку, на которой выращен слой твердого раствора германий-кремния толщиной 5 нм. В латеральном направлении он является макроскопической структурой, но в направлении, перпендикулярном направлению роста, - это очень тонкий слой, размер которого достаточен, чтобы наблюдались квантоворазмерные эффекты. Сверху он заращивается кремнием толщиной порядка 100 нм», - рассказывает старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Владимир Кривобок.
Как и во всяком полупроводнике в такой системе существует «газ» практически свободных носителей заряда. Если образец с квантовой ямой подвергнуть облучению светом (с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны для данного полупроводника), то появление неравновесных носителей двух типов (электронов и дырок) вследствие их кулоновского взаимодействия приведет к образованию водородоподобных комплексов – экситонов. Сам образец при этом должен быть сильно охлажден (в данном случае до температуры жидкого гелия), так как при более высоких температурах экситон не стабилен. По мере увеличения интенсивности излучения концентрация носителей заряда будет увеличиваться, и с экситонным газом произойдет примерно то же, что и с обычным газом при изотермическом сдавливании поршнем в цилиндре, - он конденсируется в жидкость. Однако в отличие от молекулярной жидкости, которая может быть как диэлектрической, так и электропроводящей, электронно-дырочная – исключительно проводящая. Образование такой «промежуточной» фазы было предсказано еще в 1968 году сотрудником ФИАН академиком Леонидом Келдышем. Позднее, в 70-х годах, в тончайших экспериментах с объемными полупроводниками экспериментаторам удавалось даже двигать электронно-дырочные капли по образцу и, что еще интереснее, моделировать «ветер», который гонял их «из угла в угол».
Меж тем, наблюдать подобные эффекты в наноразмерных структурах, естественно, существенно сложнее. Их время наступило только ХХI в веке. Для того чтобы продемонстрировать существование квазидвумерной электронно-дырочной жидкости, необходимо было создать однородную квантовую яму из материала с большим временем жизни свободных носителей (для того, чтобы экситоны успевали конденсироваться). Этого удалось добиться сотрудникам лаборатории молекулярно-пучковой эпитаксии кремний-германиевых структур Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород), которой руководит кандидат физико-математических наук Алексей Новиков. Они вырастили несколько германий-кремниевых структур (Si1-xGex/Si), и одна из них – с 5% содержанием германия и наиболее однородным слоем германий-кремния - идеально подошла для исследований.
О сути эксперимента рассказывает Владимир Кривобок: «При низких плотностях возбуждения квантовая яма была заполнена экситонами, но когда мы увеличивали их концентрацию, то они распространялись не равномерно по всей квантовой яме, а образовывались два типа областей - занятые экситонами и этой новой фазой – электронно-дырочной жидкостью, которая сосуществовала с экситонами».
«То, что образуется именно электронно-дырочная жидкость, - дополняет другой исследователь явления, научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Евгений Онищенко, - подтверждает целая совокупность оптических измерений. В частности, при измерении временных характеристик, наблюдалось испарение электронно-дырочных капель, стабилизирующее концентрацию экситонного газа. Эффект аналогичен образованию насыщенного пара над поверхностью жидкости»
Германий-кремниевые квантовые ямы уже исследовались несколькими коллективами ученых, но обнаружить в них электронно-дырочную жидкость до настоящего времени не удавалось.
«Это могло быть по двум причинам, - комментирует Евгений Онищенко. - Первая – структуры были не надлежащего качества, то есть с большой степенью неоднородности. Вторая – в большинстве экспериментов использовались квантовые ямы с довольно большой концентрацией германия – больше 10%, в этом случае электроны и дырки пространственно разделены и экситоны не смогут объединиться в капли».
Наблюдения за поведением электронно-дырочной жидкости и фазовым переходом от экситонного газа к плазме в низкоразмерных полупроводниковых структурах позволят экспериментально исследовать ряд новых физических явлений, характерных для таких систем.
Статья по мотивам эксперимента будет опубликована в одном из ближайших выпусков журнала PhysicalReviewB.
АНИ «ФИАН-информ»
