Структура гетерограниць

Гетерограниці в реальних ГС не є ідеально плоскими. Навіть у найбільш якісних структурах, вирощених методом МВЕ, із-за неминучих флуктуацій потоків напилюваних речовин в окремих місцях границі процес росту може відбуватися з деяким запізненням або, навпаки, випередженням. Виникає характерна острівкові структура границь, яка являє собою сукупність плоских ділянок, які виступають одна відносно одної на одну-дві міжатомні відстані (рис. ). Самі плоскі ділянки границі також не є ідеальними: процеси взаємної дифузії при температурі росту протікають вкрай повільно, разом з тим вони можуть приводити до локальних (атомного масштабу) змін концентрації компонентів ГС. Таким чином, гетерограниці в якісних ГС можна представити як плоскі (які визначають середні положення границь) з острівками різного знаку, причому в характерних латеральних (тобто вздовж границі) розмірах острівків можна виділити два істотно різних масштаби: типові розміри більших острівків можуть складати сотні, тисячі і навіть більше міжатомних відстаней, тоді як типові розміри малих острівків складають усього декілька міжатомних відстаней.

h

Рис. 5. Острівкова будова гетерограниць в ГС з квантовою ямою (виділені області бар’єрних шарів). Овалами схематично показані екситони, які виникли в окремих областях ГС. Внизу також схематично представлена залежність інтенсивності І екситонної люмінесценції від енергії випромінюваного світла.

Структура гетерограниці є важливим фактором, який визначає поведінку носіїв струму (електронів і дірок) в ГС. Зокрема, нерівності (шороховатості) границь можуть чинити замітний вплив на латеральну рухливість носіїв. Тому, для того щоб отримати ГС з тонкими провідними шарами і досить високою латеральною рухливістю, необхідно вирощувати такі шари, в яких великомасштабні неоднорідності границь перевищують довжину вільного пробігу носія (визначається головним чином температурою).

Товщиною шарів ГС (наприклад, шириною L квантової ями, зображеної на рис.5) визначаються енергії розмірного квантування електронів і дірок. Дійсно, уже із міркувань розмірності ясно, що характерна величина найменшої енергії електрона і дірки в потенціальній ямі шириною L може бути записана як

,

де m^*  ефективна маса електрона і дірки.

Рівні розмірного квантування природно проявляються в оптичних спектрах поглинання і випромінювання (найбільш чітко в екситонних спектрах). Тому по цим спектрам можна судити, наприклад, про ширну вирощеної квантової ями. Дійсно, якщо в одній структурі ширина ями дорівнює L, а в другій  L = L, то відносна зміна характерної енергії розмірного квантування складає

.

У досить вузьких структурах (декілька одиниць або десятків міжатомних відстаней) це відношення може мати істотну величину, навіть коли L складає одну-дві міжатомні відстані. Таким чином, появляється досить ефективна можливість оптичними методами вимірювати відстані, суттєво менші довжини хвилі видимого світла.

Екситоні спектри дозволяють судити і про якість гетеро границь у вирощеній ГС. Оскільки характерний розмір екситону може бути оцінений як величина порядку 10-100 міжатомних відстаней (тобто він виявляється суттєво меншим у порівнянні з характерним латеральним розміром великих острівців), то в якісних структурах з квантовою ямою екситони існують як би незалежно в трьох ямах шириною L і L  L (рис.5). Ці екситони фактично нерухомі, так як їхньому латеральному рухові заважають дрібномасштабні неоднорідності границь. Тому екситон даного типу дає не одну, а три серії ліній в оптичних спектрах. Ці лінії як раз відповідають значенням ширини квантової ями L і L  L, як це схематично показано на рис. 5. По відношенню інтенсивностей ліній можна судити про структуру границь і навіть про те, наскільки якісно відрізняються нормальні та інвертовані гетерограниці.