Памяти Леонида Вениаминовича Келдыша. Обзоры актуальных проблем
Электронно-дырочная жидкость в полупроводниках и низкоразмерных структурах
Н.Н. Сибельдин Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект 53, Москва, 119991, Российская Федерация
Рассмотрены конденсация экситонов в электронно-дырочную жидкость (ЭДЖ) и основные свойства ЭДЖ в объёмных полупроводниках и низкоразмерных структурах. Свойства ЭДЖ в объёмных материалах обсуждаются главным образом на основе экспериментальных результатов, полученных при исследовании германия и кремния, и рассмотрений качественного характера. Описаны некоторые эксперименты, в которых получены основные термодинамические параметры ЭДЖ (её плотность и энергия связи), рассмотрены основные факторы, определяющие эти параметры. Обсуждается влияние внешних воздействий (одноосной деформации и магнитного поля) на стабильность ЭДЖ. Приведены фазовые диаграммы неравновесной системы экситонный газ -- ЭДЖ и сведения о размерах и концентрации капель ЭДЖ в образце при различных экспериментальных условиях. Рассмотрены кинетика конденсации экситонов и кинетика рекомбинации в системе экситонный газ -- электронно-дырочные капли (ЭДК). Обсуждаются динамические свойства ЭДК и их движение под действием внешних сил. Описаны свойства гигантских ЭДК, образующихся в потенциальных ямах, созданных неоднородной деформацией кристалла. Рассмотрены эффекты, связанные с увлечением ЭДК неравновесными фононами (фононным ветром), включая динамику и формирование анизотропной пространственной структуры облака ЭДК. В части обзора, посвящённой ЭДЖ в низкоразмерных структурах, представлен ряд экспериментальных работ по наблюдению и исследованию: пространственно непрямых (диполярных) электронно-дырочной и экситонной (диэлектрической) жидкостей в структурах GaAs/AlGaAs с двойными квантовыми ямами (КЯ); ЭДК, состоящих из нескольких пар частиц (дроплетонов); ЭДЖ в кремниевых КЯ I рода; пространственно прямой и диполярной ЭДЖ в кремний-германиевых гетероструктурах II рода.
Ключевые слова: экситоны, электронно-дырочная жидкость, плотность, энергия связи, стабильность, фазовая диаграмма, термодинамические параметры, электронно-дырочные капли, размеры и концентрация капель, кинетика конденсации, кинетика рекомбинации, движение капель, гигантские капли, фононный ветер, увлечение капель, капельное облако, пространственная структура облака капель, динамика капельного облака, поле деформаций, магнитное поле, низкоразмерные структуры, квантовые ямы, электронно-дырочные бислои, пространственно прямые и диполя0рные экситоны, пространственно прямая и диполярная жидкости, дроплетоны PACS:71.35.−y, 73.20.Mf, 73.21.−b (все) DOI:10.3367/UFNr.2017.08.038194 URL: https://ufn.ru/ru/articles/2017/11/e/ 000424395100005 2-s2.0-85042151088 2017PhyU...60.1147S Цитата: Сибельдин Н Н "Электронно-дырочная жидкость в полупроводниках и низкоразмерных структурах" УФН187 1236–1270 (2017)
Keldysh L V Proc. of the 9th Intern. Conf. on Physics of Semiconductors, Moscow, July 23 - 29, 1968 Vol. 2 (Ed. S M Ryvkin) (Leningrad: Nauka, 1968) p. 1303; Келдыш Л В Труды IX Международной конф. по физике полупроводников, Москва, 23 - 29 июля 1968 г. Т. 2 (Под ред. С М Рывкина) (Л.: Наука, 1968) с. 1387
Jeffries C D, Keldysh L V (Eds) Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Amsterdam: North-Holland, 1983); Пер. на русск. яз., Джеффрис К Д, Келдыш Л В (Ред.) Электронно-дырочные капли в полупроводниках (М.: Наука, 1988)
Keldysh L V, Sibeldin N N Nonequilibrium Phonons in Nonmetallic Crystals(Modern Problems in Condensed Matter Science) Vol. 16 (Eds W Eisenmenger, A A Kaplyanskii) (Amsterdam: North-Holland, 1986) p. 455
Sibeldin N N Problems of Condensed Matter Physics: Quantum Coherence Phenomena in Electron-Hole and Coupled Matter-Light Systems(International Series of Monographs on Physics) Vol. 139 (Eds A L Ivanov, S G Tikhodeev) (Oxford: Oxford Univ. Press, 2008) p. 227
Kulakovskii V D, Timofeev V B Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 95
Андрюшин Е А и др. Письма в ЖЭТФ24 210 (1976); Andryushin E A et al. JETP Lett.24 185 (1976)
Андрюшин Е А, Келдыш Л В, Силин А П ЖЭТФ73 1163 (1977); Andryushin E A, Keldysh L V, Silin A P Sov. Phys. JETP46 616 (1977)
Андрюшин Е А, Силин А П ФТТ18 2132 (1976); Andryushin E A, Silin A P Sov. Phys. Solid State18 1243 (1976)
Андрюшин Е А ФТТ18 2493 (1976); Andryushin E A Sov. Phys. Solid State18 1457 (1976)
Лозовик Ю Е, Юдсон В И Письма в ЖЭТФ22 26 (1975); Lozovik Yu E, Yudson V I JETP Lett.22 11 (1975)
Лозовик Ю Е, Юдсон В И ЖЭТФ71 738 (1976); Lozovik Yu E, Yudson V I Sov. Phys. JETP44 389 (1976)
Butov L V Problems of Condensed Matter Physics: Quantum Coherence Phenomena in Electron-Hole and Coupled Matter-Light Systems(International Series of Monographs on Physics) Vol. 139 (Eds A L Ivanov, S G Tikhodeev) (Oxford: Oxford Univ. Press, 2008) p. 83
Горбунов А В, Тимофеев В Б Письма в ЖЭТФ80 210 (2004); Gorbunov A V, Timofeev V B JETP Lett.80 185 (2004)
Littlewood P B Problems of Condensed Matter Physics: Quantum Coherence Phenomena in Electron-Hole and Coupled Matter-Light Systems(International Series of Monographs on Physics) Vol. 139 (Eds A L Ivanov, S G Tikhodeev) (Oxford: Oxford Univ. Press, 2008) p. 163
Timofeev V B Problems of Condensed Matter Physics: Quantum Coherence Phenomena in Electron-Hole and Coupled Matter-Light Systems(International Series of Monographs on Physics) Vol. 139 (Eds A L Ivanov, S G Tikhodeev) (Oxford: Oxford Univ. Press, 2008) p. 258
Zimmermann R Problems of Condensed Matter Physics: Quantum Coherence Phenomena in Electron-Hole and Coupled Matter-Light Systems(International Series of Monographs on Physics) Vol. 139 (Eds A L Ivanov, S G Tikhodeev) (Oxford: Oxford Univ. Press, 2008) p. 285
Москаленко С А, Хаджи П И, Бобрышева А И ФТТ5 1444 (1963); Moskalenko S A, Khadzhi P I, Bobrysheva A I Sov. Phys. Solid State5 1051 (1963)
Келдыш Л В, Козлов А Н Письма в ЖЭТФ5 238 (1967); Keldysh L V, Kozlov A N JETP Lett.5 190 (1967)
Келдыш Л В, Козлов А Н ЖЭТФ54 978 (1968); Keldysh L V, Kozlov A N Sov. Phys. JETP27 521 (1968)
Гергель В А, Казаринов Р Ф, Сурис Р А ЖЭТФ54 298 (1968); Gergel' V A, Kazarinov R F, Suris R A Sov. Phys. JETP27 159 (1968)
Keldysh L V Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. xi; Келдыш Л В Электронно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 7
Rice T M Problems of Condensed Matter Physics: Quantum Coherence Phenomena in Electron-Hole and Coupled Matter-Light Systems(International Series of Monographs on Physics) Vol. 139 (Eds A L Ivanov, S G Tikhodeev) (Oxford: Oxford Univ. Press, 2008) p. 214
Покровский Я Е, Свистунова К И ФТП4 491 (1970); Pokrovskii Ya E, Svistunova K I Sov. Phys. Semicond.4 409 (1970)
Каминский А С, Покровский Я Е, Алкеев Н В ЖЭТФ59 1937 (1970); Kaminskii A S, Pokrovskii Ya E, Alkeev N V Sov. Phys. JETP32 1048 (1971)
Vashishta P, Kalia R K, Singwi K S Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 1; Вашишта П, Калиа К, Сингви К С Электроно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 26
Pokrovskii Ya E Electron-Hole Droplets in Semiconductor(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 509; Покровский Я Е Электроно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 374
Markiewicz R S, Timusk T Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 543; Маркиевч Р С, Тимаск Т Электроно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 396
Багаев В С и др. Письма в ЖЭТФ16 120 (1972); Bagaev V S et al. JETP Lett.16 83 (1972)
Мурзин В Н, Заяц В А, Кононенко В Л ФТТ15 3634 (1973); Murzin V N, Zayats V A, Kononenko V L Sov. Phys. Solid State15 2421 (1974)
Келдыш Л В, Силин А П ФТТ15 1532 (1973); Keldysh L V, Silin A P Sov. Phys. Solid State15 1026 (1973)
Карузский А Л и др. Письма в ЖЭТФ22 65 (1975); Karuzskii A L et al. JETP Lett.22 29 (1975)
Карузский А Л и др. ЖЭТФ69 1088 (1975); Karuzskii A L et al. Sov. Phys. JETP42 554 (1975)
Silin A P Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 619; Силин А П Электроно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 449
Rogachev A A Excitons at High Density(Springer Tracts in Modern Physics) Vol. 73 (Eds H Haken, S Nikitine) (Berlin: Springer, 1974) p. 127
Келдыш Л В, Силин А П ЖЭТФ69 1053 (1975); Keldysh L V, Silin A P Sov. Phys. JETP42 535 (1975)
Бир Г Л, Пикус Г Е Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках (М.: Наука, 1972); Пер. на англ. яз., Bir G L, Pikus G E Symmetry and Strain-Induced Effects in Semiconductors (New York: Wiley, 1974)
Алексеев А С, Багаев В С, Галкина Т И ЖЭТФ63 1020 (1972); Alekseev A S, Bagaev V S, Galkina T I Sov. Phys. JETP36 536 (1973)
Багаев В С, Галкина Т И, Гоголин О В Краткие сообщения по физике ФИАН (2) 42 (1970)
Bagaev V S, Galkina T I, Sibeldin N N Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 267; Багаев В С, Галкина Т , Сибельдин Н Н Электроно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 207
Wolfe J P, Jeffries C D Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 431; Вольф Дж П, Джеффрис К Д Электроно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 317
Buttner H Proc. 12th Intern. Conf. on Physics of Semiconductors (Ed. M H Pilkuhn) (Stuttgart: Teubner, 1974) p. 81
Келдыш Л В, Онищенко Т А Письма в ЖЭТФ24 70 (1976); Keldysh L V, Onishchenko T A JETP Lett.24 59 (1976)
Сейсян Р П Спектроскопия диамагнитных экситонов (М.: Наука, 1984)
Seisyan R P, Zakharchenya B P Landau Level Spectroscopy(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 27 (Eds G Landwehr, E I Rashba) (Amsterdam: North-Holland, 1991) p. 345
Гершензон Е М, Гольцман Г Н, Птицина Н Г ЖЭТФ70 224 (1976); Gershenzon E M, Gol'tsman G N, Ptitsina N G Sov. Phys. JETP43 116 (1976)
Westervelt R M Electron-Hole Droplets in Semiconductors(Modern Problems in Condensed Matter Sciences) Vol. 6 (Eds C D Jeffries, L V Keldysh) (Amsterdam: North-Holland, 1983) p. 187; Вестервельт Р М Электроно-дырочные капли в полупроводниках (Под ред. К Д Джеффриса, Л В Келдыша) (М.: Наука, 1988) с. 149
Френкель Я И Кинетическая теория жидкостей (Л.: Наука, 1975); Пер. на англ. яз., Frenkel J Kinetic Theory of Liquids (Oxford: The Clarendon Press, 1946)
Гусейнов Н М, Левинсон И Б ЖЭТФ85 779 (1983); Guseinov N M, Levinson I B Sov. Phys. JETP58 452 (1983)
Казаковцев Д В, Левинсон И Б ЖЭТФ88 2228 (1985); Kazakovtsev D V, Levinson I B Sov. Phys. JETP61 1318 (1985)
Гусейнов Н М, Оруджев Г С ФТТ29 2269 (1987); Guseinov N M, Orudzhev G S Sov. Phys. Solid State29 1308 (1987)
Levinson Y B Nonequilibrium Phonons in Nonmetallic Crystals(Modern Problems in Condensed Matter Science) Vol. 16 (Eds W Eisenmenger, A A Kaplyanskii) (Amsterdam: North-Holland, 1986) p. 91
Брагина Т М, Конин К П, Шретер Ю Г ФТТ19 1872 (1977); Bragina T M, KoninK P, Shreter Yu G Sov. Phys. Solid State19 1086 (1977)
Maris H J Nonequilibrium Phonons in Nonmetallic Crystals(Modern Problems in Condensed Matter Science) Vol. 16 (Eds W Eisenmenger, A A Kaplyanskii) (Amsterdam: North-Holland, 1986) p. 51