Teoria i modelowanie struktur półprzewodnikowych z modulowaną magnetyzacją

Niniejsza praca doktorska została poświęcona modelowaniu oraz analizie struktur półprzewodnikowych, również tych z modulowaną magnetyzacją. Zastosowany schemat obliczeniowy umożliwiający realistyczne modelowanie szerokiej grupy struktur półprzewodnikowych został oparty o metody ciągłe (tzn. opisujące strukturę jako złożenie różnych materiałów półprzewodnikowych o zadanych własnościach), zarówno w podejściu kwantowo-mechanicznym, jak również w semi-klasycznym podejściu Thomasa-Fermiego. Wykorzystany w przedstawionej rozprawie schemat obliczeniowy oparty jest na istniejącym pakiecie numerycznym nextnano3 rozszerzonym dodatkowo o trzy niezwykle istotne elementy, które zostały zaimplementowane do kodu: (i) wersja Burta-Foremana metody k.p z odpowiednio uporządkowanymi operatorami różniczkowania, dzięki czemu możliwe jest uniknięcie artefaktów tzw. zsymetryzowanego Hamiltonianu, (ii) oddziaływanie wymienne p-d (opisujące oddziaływanie między nośnikami a zlokalizowanymi momentami magnetycznymi oraz będące powodem pojawiania się spontanicznego namagnesowania) w Hamiltonianie k.p, (iii) możliwość obliczeń struktury elektronowej supersieci. Rozszerzony kod został przetestowany pod względem poprawności, a następnie wykorzystany do analizy magnetycznych heterostruktur GaAs/AlGaAs/(Ga,Mn)As oraz supersieci InAs/GaSb, umożliwiając lepsze zrozumienie analizowanych układów. Przedstawiona rozprawa doktorska dostarcza ilościowe przewidywania wpływu pola elektrycznego na temperaturę Curie dla heterosturktur typu GaAs/AlGaAs/(Ga,Mn)As. W rezultacie okazuje się, że głównym fizycznym mechanizmem wywołującym te zmiany jest sterowanie gęstością dziur za pomocą zewnętrznego napięcia. Przyłożenie napięcia w odpowiednim kierunku wywołuje wzrost gęstości dziur, a to prowadzi do zwiększenia temperatury Curie w warstwie rozrzedzonego półprzewodnika magnetycznego (Ga,Mn)As. Te badania pokazały również, że chropowatość powierzchni między warstwami bramka/tlenek wprowadza silne rozpraszanie nośników, dlatego semi-klasyczne podejście jest bardziej odpowiednie w przypadku analizy i modelowania tych układów oraz daje wyniki bliższe danym eksperymentalnym. Badania układów InAs/GaSb w sposób jasny pokazały silny wpływ dyfuzji atomów indu oraz antymonu do sąsiednich warstw na strukturę elektronową oraz profile absorpcji tych układów, co zostało zaobserwowane również doświadczalnie.

This thesis provides the computational scheme that allows for reliable modeling of wide class of semiconducting structures, also with modulated magnetization, on the quantum-mechanical and/or semi-classical Thomas-Fermi approach levels employing continuous methods. The scheme is based on the existing simulation tool nextnano3, however the three new crucial features have been implemented into the code: (i) the Burt-Foreman version of the k.p method with unique ordering of operators that avoids the artifacts of the so-called symmetrized Hamiltonians, (ii) introduction of the p-d couplings to the k.p Hamiltonian that describes the interaction between carriers and the localized moments and accounts for the appearance of spontaneous magnetization, and (iii) treatment of superlattices. The developed code has been carefully tested and employed further for the studies of magnetic GaAs/AlGaAs/(Ga,Mn)As heterostructructures and InAs/GaSb superlattices. These studies provide physical insight and increase the understanding of these two important classes of systems. In particular, this thesis provides quantitative predictions of the electrical field influence on the Curie temperature of the gated GaAs/AlGaAs/(Ga,Mn)As heterostructures. The main physical mechanism is the tuning of the hole density with the external bias. The bias induced increase of the hole density leads to the increase of Curie temperature in the layer of dilute magnetic semiconductor (Ga,Mn)As. These studies reveal that the roughness of the gate/oxide interface introduces the strong scattering of carriers and the semi-classical approach is more suitable for treatment of these systems and also leads to better agreement with experimental data. The studies of InAs/GaSb based systems clearly demonstrate that the diffusion of In and Sb atoms into neighboring regions observed experimentally has strong influence on the electronic structure and absorption profiles of these systems.