WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 3 Термический перенос заряда и поляризация широкой полосы люминесценции с максимумом при энергии фотонов вблизи 1.2 эВ в n-GaAs : Te при одноосной деформации © А.А. Гуткин, М.А. Рещиков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 июля 2002 г. Принята к печати 22 июля 2002 г.) Рассмотрено влияние температуры на индуцированную давлением вдоль оси [111] поляризацию широкой полосы фотолюминесценции, связанной с комплексами VGaTeAs в GaAs : Te. Показано, что в некотором интервале температур вводимое давлением различие энергий активации термической эмиссии дырок для комплексов разной ориентации приводит к резкому увеличению интегральной поляризации излучения, вызванного рекомбинацией свободных электронов с дырками, локализованными на комплексах, по сравнению с поляризацией этого излучения при более низкой температуре. Экспериметальные исследования при давлении 10 кбар обнаружили подобное поведение поляризации в диапазоне температур 140–190 K. Аппроксимация экспериментальных зависимостей расчетными кривыми показала применимость предложенной ранее модели совокупности дефектов, вызывающих рассматриваемую полосу люминесценции, а также позволила уточнить их некоторые параметры и оценить изменение энергии активации термической эмиссии дырок с центров разной ориентации под влиянием давления вдоль оси [111].

1. Введение В настоящей работе рассмотрена феноменологическая теория этого явления для центров, подобных комлексам, Внешняя одноосная деформация кристалла полупро- формирующим широкую полосу люминесценции с максимумом при энергии фотонов 1.2 эВ в n-GaAs : Te [1–3].

водника нарушает эквивалентность однотипных анизоС целью дальнейшего подтверждения предложенной тропных центров, по разному ориентированных отнов [3] модели этих центров и уточнения ее параметров сительно направления деформации, и вносит различные экспериментально исследованы и сопоставлены с расизменения в глубину энергетических уровней, вводимых четами зависимости интегральной поляризации этой этими центрами в запрещенную зону. Для центров с шиполосы от температуры (до температур T 215 K) рокими полосами люминесценции такое расщепление и величины давления (до давлений P = 10 кбар) вдоль уровней практически не изменяет спектр излучения, но направления [111].

приводит к существенному различию в энергии активации термической эмиссии носителей с центров разной ориентации. Поэтому при повышении температуры ско2. Модель для расчета и основные рость термической эмиссии носителей, локализованных соотношения на центрах в излучающем состоянии, становится сравнимой со скоростью излучательного захвата носителей Ранее было показано [3], что поведение полосы фопротивоположного знака (и больше ее) сначала только толюминесценции 1.2 эВ в n-GaAs : Te как в случае для центров с определенной ориентацией относительно межзонного возбуждения при одноосных давлениях, так оси деформации. Поскольку термический выброс носии в случае поляризованного резонансного возбуждения, телей с этих центров при низком уровне возбуждения при низких температурах (T 78 K) может быть объяслюминесценции сопровождается их повторным захватом нено, если предположить, что совокупность дефектов, на центры любой ориентации с равной вероятностью, вызывающих указанное излучение, содержит два тив стационарных условиях в излучающем состоянии па анизотропных центров, обладающих близкими спекбудет находиться больше центров с ориентацией, оттральными характеристиками и параметрами оптичевечающей наибольшей энергии активации термической ских диполей. Дефекты одного типа (по-видимому, изоэмиссии захваченных ими носителей. Подобный перенос лированные комплексы вакансия галлия –теллур, т. е.

носителей заряда от центров одной ориентации отноVGaTeAs) имеют ян-теллеровские дисторсии, которые сительно оси деформации к центрам другой ориента- способны переориентироваться и выстраиваться под ции приводит к частичному или полному устранению влиянием одноосных давлений определенного направпервых из процесса рекомбинации, сопровождаемого ления, тогда как в дефектах другого типа подобное люминесценцией, и к росту интегральной поляриза- выстраивание дисторсий отсутствует. Как определено ции этой люминесценции при повышении температу- в [3], направление оси излучающего оптического диполя ры в некотором диапазоне вследствие возникновения в каждом из дефектов близко к одной из осей типа и увеличения преимущественной ориентации центров 111. В дальнейшем для упрощения при рассмотрении рекомбинации. расщепления энергетических уровней центров различ288 А.А. Гуткин, М.А. Рещиков состояние системы дефектов при постоянной скорости генерации электронно-дырочных пар в полупроводнике и давлении вдоль направления [111].

Согласно выводам работы [4], изменение направления дисторсии отдельного центра может происходить только в поглощающем состоянии этого центра, т. е. направление оси оптического диполя в излучающем состоянии центра определяется направлением этого диполя в поглощающем состоянии. Пусть N1, N1 и N2 — полные концентрации дефектов, которые в излучающем состоянии имеют энергии E1, E1 и E2 соответственно, а p1, p 1 и p2 — концентрации этих же дефектов, уже находящихся в излучающем состоянии (в состоянии, соответствующем локализации на дефекте дырки). Легко Рис. 1. Схематическое изображение взаимного расположения показать, что в условиях слабого возбуждения (p1 N1, границ разрешенных зон (EC и EV ) и энергетических уровней p 1 N1 и p2 N2) комплекса VGaTeAs в отсутствие давления (ET ) (1) и при одноосном давлении вдоль оси [111] (E1, E1, E2) (2). a — исходная 1 + CpNV exp (-E1/kT ) N1 Nось комплекса не совпадает с осью давления, b —исходная p 1 = p1 p1B, (1) 1 + CpNV exp (-E1/kT ) N1 Nось комплекса совпадает с осью давления.

1 + CpNV exp (-E1/kT) N2 Np2 = p1 p1B. (2) 1 + CpNV exp (-E2/kT) N1 Nной ориентации мы будем приближенно полагать, что Здесь Cp — коэффициент захвата дырок центрами, ось диполя совпадает с одной из тригональных осей NV — эффективная плотность состояний валентной кристалла. В комплексах VGaTeAs эта ось не является зоны при одноосном давлении, — характеристическое исходной осью VGa-TeAs.

время рекомбинации дырок на центре с электронами Рассмотрим сначала интегральную поляризацию иззоны проводимости, T — температура, k — постоянная лучения, вызываемого рекомбинацией электронов через Больцмана.

дефекты с переориентирующимися и выстраивающимиТак как направление диполя близко к направлению ся дисторсиями (через комплексы VGaTeAs). При давледавления только в одной из трех возможных конфигунии вдоль оси [111] энергетические уровни, вводимые раций каждого комплекса первой группы, комплексами с различной ориентаций оптического диполя относительно оси деформации, станут различаться Nи совокупность ранее эквивалентных комплексов раз= 2exp(- E /kT ) C, (3) Nделится на две группы, в одной из которых исходная ось VGa–TeAs не совпадает с направлением давления, где E — разность между энергиями разных кона в другой — параллельна ему. В первой из этих групп фигураций комплексов первой группы при одноосном конфигурации комплекса, соответствующие различным давлении P вдоль направления [111] в состоянии, отнаправлениям оптического диполя, будут иметь разные вечающем за процессы переориентации и выстраивания.

энергии, тогда как в комплексах второй группы все Поскольку, как было сказано, этим состоянием является конфигурации и при давлении останутся эквивалентсостояние, соответствующее захвату на комплекс элекными. Изменение энергетических уровней всех этих трона [4], E может отличаться от E1 - E1. С другой конфигураций относительно краев разрешенных зон схестороны, при равной вероятности распределения комматически показано на рис. 1.

плексов по всем возможным направлениям их исходной Наибольшую энергию связи дырки, согласно даноси (оси VGa–TeAs) ным [3], при давлении вдоль оси [111] имеет та конфигурация комплексов первой группы, в которой ось N2 1 + 2exp(- E /kT) = D. (4) оптического диполя близка к оси давления. Будем N1 обозначать энергию активации термической эмиссии дырок с центров этой конфигурации через E1, энергию Так как полоса фотолюминесценции, связанная с расостальных конфигураций комплексов этой группы — сматриваемыми дефектами, в n-GaAs вызвана излучачерез E1, а энергию комплексов второй группы — через тельным захватом электронов на центры, захватившие E2 (рис. 1).

предварительно дырку, интегральная интенсивность этоБудем полагать, что сечения захвата электронов и ды- го излучения IPL пропорциональна суммарной конценрок рассматриваемого комплекса, как и в отсутствие од- трации таких центров, т. е. в стационарном состоянии ноосной деформации, не зависят от ориентации дефекта и направления дисторсии, и рассмотрим стационарное IPL (p1 + p 1 + p2). (5) Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Термический перенос заряда и поляризация широкой полосы люминесценции с максимумом... При этом вклад в p1 центров с энергией E1, имеющих Определим теперь соответствующие интенсивности различные (но допустимые для этой энергии) направ- света I ( ) и I (), излучаемого комплексами, в котоPL PL ления осей оптических диполей, одинаков. Аналогичная рых отсутствует переориентация и выстраивание дисторситуация имеет место и для центров, дающих вклад сий. В предположении, что эти комплексы по параметв p 1 и p2. В этих условиях, суммируя интенсивности рам оптических диполей и положению энергетических излучения диполей различных направлений и учитывая уровней практически не отличаются от дефектов с перазличия концентраций p1, p 1 и p2, определяемые вы- реориентирующимися дисторсиями [3], выражения (1) ражениями (1)–(4), легко получить интегральную ин- и (2) справедливы и для них. Однако в этом случае тенсивность света, излучаемого в исследуемой полосе N1 Nв направлении, перпендикулярном оси давления [111], = 2, = 1. (10) с электрическим вектором, параллельным этой оси, N1 NIPL( ), или перпендикулярным ей, IPL().

Поэтому I ( ) и I () могут быть получены соотPL PL В дальнейшем, чтобы уменьшить число параметров, ветственно из (7) и (8) заменой A на 1 - A, C на описывающих рассматриваемую систему, мы будем пои D на 1. Интегральное поляризационное отношение лагать r тогда может быть получено путем суммирования E1 = E2, (6) вкладов центров с переориентирующимися и непереориентирующимися дисторсиями как т. е. B = B. Основанием для такого предположения является близость осей оптических диполей центров, IPL( ) +I ( ) Pl имеющих энергии E1 и E2, к направлениям типа 111, r =. (11) IPL() +I () не совпадающим с осью давления [111], и следовательно, PL приблизительное равенство углов между осью диполя и осью давления для центров с указанными энергиями.

Тогда, если доля центров с переориентирующимися 3. Результаты экспериментов дисторсиями в полной концентрации центров (N), даи их обсуждение ющих вклад в изучаемую полосу фотолюминесценции, составляет A, то Эксперименты проводились на образцах n-GaAs : Te с концентрацией электронов 1018 см-3, подобных исAN (2b + a)IPL( ) µ2 + (1 - 2µ2) следовавшимся нами в работах [3–6]. Методика изме1 + B(4C + 1)/3 рений фотолюминесценции при одноосной деформации была аналогична использованной ранее [7,8].

a+ CB µ2 + (1 - 2µ2) Спектры фотолюминесценции исследуемой нами полосы 1.2 эВ при давлении вдоль оси [111] P = 10 кбар (2b - a)2 и нескольких температурах показаны на рис. 2. За+ DB µ2 + (1 - 2µ2), (7) висимость поляризационного отношения интегрального излучения r при этом давлении от температуры представлена на рис. 3.

AN (b - a)IPL() µ2 + (1 - 2µ2) 1 + B(4C + 1)/3 1 + b+ CB µ2 + (1 - 2µ2) (b + a)+ DB µ2 + (1 - 2µ2). (8) Здесь µ2 — доля ротатора в излучении отдельного центра, a и b — проекции единичного орта оси диполя на оси локальной декартовой системы координат, направления которых совпадают с направлениями типа и определяются ориентацией центра таким образом, что a = sin, b = cos, (9) где — угол отклонения оси излучающего диполя от Рис. 2. Полоса излучения 1.2 эВ в n-GaAs : Te при давле оси [110] в плоскости (110), содержащей ось диполя, нии 10 кбар вдоль оси [111] и различных температурах. T, K:

вакансию и атом теллура. 1 — 78, 2 — 135, 3 — 168.

3 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 290 А.А. Гуткин, М.А. Рещиков эмиссии дырок с исследуемых дефектов при давлении 10 кбар уменьшается и становится близкой к массе легких дырок. Так как в арсениде галлия отношение масс плотности состояний для тяжелых и легких дырок составляет примерно 6, в рассматриваемом нами случае величина CpNV по сравнению с полученной в работе [6] должна быть уменьшена примерно в 6 раз. Таким образом, при расчетах принималось CpNV = 7 · 104.

Кроме того, мы использовали то обстоятельство, что в случае низких температур (T = 2-30 K) термический перенос дырок отсутствует, а в ян-теллеровских переориентирующихся комплексах при давлении в 10 кбар не реализуются конфигурации, имеющие энергию E1.

Тогда величина интегральной поляризации исследуемой полосы излучения r (0) определяется только величинаРис. 3. Зависимость интегрального поляризационного от- ми µ2 и A, которые связаны с r (0) соотношением [3] ношения полосы излучения 1.2 эВ в n-GaAs : Te при давr (0) - 1 1 1 + µлении 10 кбар вдоль оси [111] от температуры. Точки — A =. (12) r (0) +2 (a + b)b 1 - 2µэксперимент, кривая — расчет при следующих значениях параметров: E1 = 183 мэВ, E2 = 150 мэВ, E = 25 мэВ, A = 0.4, Поскольку r (0) известно (рис. 3), любой выбор µµ2 = 0.142, C NV = 7 · 104.

p задает также и A.

Таким образом, для описания экспериментальной зависимости r (T ) в диапазоне температур 2–215 K При увеличении температуры от 2 K интегральная необходимо, согласно (1)–(4) и (7)–(12), подобрать поляризация излучения, возникшая при одноосном дав4 параметра: µ2, E1, E2 и E. При этом величина E, лении в 10 кбар вдоль оси [111], сначала остается как показывает анализ, определяет зависимость r (T ) постоянной, а затем до температур T 130 K слабо в диапазоне температур до начала сильного роста уменьшается. Последнее связано с уменьшением стеr (T ), т. е. при T 120 K (рис. 3), температура начала пени выстраивания дисторсий в переориентирующихся этого роста определяется E2, а величина максимальной ян-теллеровских центрах (комплексах VGaTeAs), т. е. с пополяризации, достигаемой при высоких температурах, явлением таких конфигураций этих центров, которые в основном зависит от µ2 и соотношения между E1 и E2.

имеют энергию E1. Дальнейшее увеличение температу- Удовлетворительное согласие расчетных и экспериры в интервале 140–180 K приводит к сильному увели- ментальных зависимостей, подобное показанному на чению поляризации (рис. 3). В то же время спектры рис. 3, было получено при E = 25 мэВ, µ2 = 0.14-0.излучения в этом же температурном интервале лишь (A = 0.4-0.5), E1 = 183-190 мэВ, E2 = 150-146 мэВ.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.