WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Влияние метастабильных состояний на высвечивание экситонов в n-GaAs © В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт–Петербург, Россия (Получена 30 июня 1997 г. Принята к печати 14 июля 1997 г.) Исследовано затухание спонтанного излучения экситонов в n-GaAs в зависимости от температуры и интенсивности возбуждения. Впервые экспериментально обнаружено влияние метастабильного состояния, резонансного с зоной проводимости, на процесс высвечивания экситонов.

Люминесцентные и фотоэлектрические свойства GaAs Использующийся здесь метод основан на изучении в первую очередь определяются особенностями рекомби- особенностей затухания краевой фотолюминесценции. В нации фотовозбужденных носителей. При низких темпе- работе [5] по исследованию затухания фотолюминесратурах в совершенных эпитаксиальных слоях n-GaAs с ценции (ФЛ) было показано, что в n-GaAs существуют h низким уровнем компенсации основным каналом реком- локализованные метастабильные состояния (Ems), котобинации является образование (с последующей анниги- рые эффективно захватывают неосновные носители — ляцией) свободных экситонов (X) и экситонов, связан- дырки. Наблюдаемое аномально длительное затухание ных на мелких донорах (D0, x), а также рекомбинация (> 10-6 с) ФЛ на линии D0, h обусловлено временем электрона мелкого донора с дыркой валентной зоны безактивационного выброса дырок из метастабильных (D0, h). Характерные времена этих процессов находятся состояний в валентную зону, после чего происходит связывание этих дырок с электронами мелких доноров и в диапазоне 10-9-10-8 c [1]. В ряде случаев вероятность в результате осуществляется формирование линии D0, h рекомбинации захваченного в локализованное состояние в задержанных спектрах ФЛ. Кроме того, в задержанных носителя оказывается мала. Тогда время жизни носителя спектрах присутствует линия экситона, связанного на в этом состоянии становится большим (e > 10-6 c), и мелком доноре — D0, x, и линия свободного экситона.

это означает, что носитель находится в метастабильном Ясно, что для наблюдения экситонных линий в знасостоянии. Природа метастабильных состояний в GaAs чительно задержанных (> 2мкс) спектрах кроме долвесьма разнообразна, и эти состояния проявляются при гоживущих дырок необходимо наличие долгоживущих исследовании различных явлений. Интересным и важным электронов [6]. Данная работа посвящена изучению влитипом метастабильности состояний являются состояния, яния долгоживущих электронных состояний — процесс резонансные с зоной проводимости. Большой прогресс экситонного излучения.

в изучении таких состояний связан с исследованием Кривая затухания I(t) линии D0, x при 2 K представлеDX-центров [2]. Основные результаты для DX-центров на на рис. 1. Как видно из рисунка, в затухании ФЛ набыли получены при исследовании фотопроводимости и спектров релаксации глубоких уровней (DLTS) в соеди- блюдаетсябыстрыйспад(участок a-b), который отражает собственный излучательный распад соответствующих нениях AlGaAs и сильно легированных слоях GaAs [3,4].

Настоящая работа посвящена экспериментальному ис- примесных комплексов и для указанных линий находится в диапазоне (9-54) · 10-9 с. Затем следует медленный следованию проявления метастабильных электронных хвост (участок b-c), отражающий высвобождение дырок состояний в краевой спонтанной фотолюминесценции из метастабильного состояния (> 10-6 с).

(ФЛ) нелегированных эпитаксиальных слоев n-GaAs.

Из кинетики люминесценции определялось время Образцы представляли собой эпитаксиальные слои медленного затухания и интеграл под кривой затухаn-GaAs толщиной 10–100 мкм, выращенные методом ния (рис. 1). Следует заметить, что медленное затухание газофазной эпитаксии (VPE). Концентрация примесей является не экспоненциальным, поэтому посредством Nd-Na < 1014 см-3. Мы исследовали спектры ФЛ при математической обработки массива точек определяется непрерывном возбуждении He–Ne-лазером (632.8 нм) и подгоночный параметр, который имеет смысл времени кинетику затухания ФЛ при импульсном возбуждении затухания. Именно этот параметр отражает время выброполупроводниковым (804.4 нм), YAG (530 нм) и азотса дырок в валентную зону из дырочных метастабильных ным (337.1 нм) лазерами. Регистрация осуществлялась состояний (MSh).

методом время-коррелированного счета фотонов. ТемВеличина интеграла I(t) определяется выражением пература изменялась в интервале 2–25 K. Измерялось tвремя затухания ФЛ в микросекундном и наносекундном It = I(t)dt и отражает квантовый выход задержанной (полуширина аппаратной функции — 1.3 нс) диапазонах tвремен, а также интегральная интенсивность линий сво- ФЛ, пропорциональной концентрации захваченных в мебодного и связанного на мелком нейтральном доноре эк- тастабильные состояния дырок, и поэтому является хороситонов в зависимости от температуры и интенсивности шей мерой процесса медленного опустошения дырочных h возбуждения. состояний Ems.

4 308 В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев этом случае можно объяснить тем, что при температуре T = 6 K электроны не участвуют в формировании экситонных линий. Для того чтобы электроны не участвовали в формировании экситонных линий, они должны в результате нагрева перейти в некоторое состояние, которое не дает вклад в излучение. Этим состоянием, принимая во внимание величину сообщаемой электронам энергии (0.51 эВ), может быть возбужденное состояние мелкого донора.

В этом случае электроны могут безызлучательно уйти из него в результате оже-процесса [8]. Характерное время этого процесса (< 10-10 с) существенно меньше времени излучательной рекомбинации. Поэтому велика Рис. 1. Кинетика фотолюминесценции I0(t) линии D0, x в вероятность, что электроны выбросятся в зону и в полулогарифмическом масштабе при E = 2 K. Заштрихованная результате наряду с уменьшением интенсивности ФЛ область обозначает интегрирование I(t), где ti и tr — пределы возрастет концентрация свободных носителей, как было интегрирования (равные соответственно 3 и 10 мкс), отсчиобнаружено авторами работы [7]. Однако исследоватанные от окончания импульса возбуждения (точка a). На ния показали, что ожидаемого увеличения концентрации вставке — типичный спектр ФЛ исследованных образцов GaAs свободных носителей, индикатором которого является при T = 2K.

линия свободного экситона, не происходит. Более того, увеличение интенсивности возбуждения и, следовательно, концентрации носителей приводит к исчезновению Как видно из рисунка 2, b, интеграл I(t, T ) с увеминимума как при непрерывном, так и при импульсном личением температуры ведет себя необычным образом.

возбуждении. На основании известных механизмов обраНа фоне монотонного уменьшения этого интеграла, при зования экситонов (см. далее) и совокупности эксперитемпературе вблизи 6 K (0.51 мэВ) наблюдается явно ментальных фактов можно утверждать, что оже-процесс выраженный минимум. Более того, оказывается, что (случай малого времени) следует исключить из рассмопри определенной интенсивности непрерывного возбутрения как основной. Кроме того, в этом случае трудно ждения интегральная интенсивность линий свободного объяснить уменьшение при T = 6 K интенсивности экситона на мелком доноре (D0, x) также имеет минимум при температуре T = 6K (рис. 2, c), причем этот минимум наблюдается сравнительно далеко от границы термоактивационного развала комплекса D0, x.

Как было показано [5], поскольку время выброса дырок h из метастабильного состояния Ems (h = 10-6 с) на несколько порядков больше времени излучательного распада примесных комплексов D0, h и D0, x (10-8-10-9 с), именно время th характеризует вклад дырок в процесс формирования линии в задержанных спектрах. Подчеркнем, что время выброса дырок, определяемое по кривой затухания ФЛ (участок b-c на рис. 1), от температуры практически не зависит (рис. 2, a). Поэтому можно предположить, что температурная зависимость I(t, T ) обусловлена вкладом не дырок, а электронов.

Рассмотрим, каким образом температура может влиять на поведение связанного на мелком доноре экситона — D0, x. Зависимость от температуры интенсивности линии D0, x, которая отвечает термоактивационному распаду соответствующего примесного комплекса, описывается выражением [7] I(T ) =I0/{1 + C exp(-E/T )}, где E — энергия термоактивации уровня, C — темпераРис. 2. Зависимость от температуры: a — времени медленного турно независимая константа. Очевидно, что, используя выброса дырок h из метастабильного дырочного сотояния;

это выражение, можно описать плавное снижение кванb — величины интеграла I(t, T ) под кривой медленного затутового выхода, но невозможно объяснить существова- хания ФЛ линии D0, x; c — интегральной интенсивности I(T) ние минимума. Феноменологически наличие минимума в линии D0, x при непрерывном возбуждении He–Ne-лазером.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Влияние метастабильных состояний на высвечивание экситонов в n-GaAs ятность высвечивания (и, следовательно, излучательное время жизни) экситона (D0, x) отражает время жизни свободных экситонов, что находит подтверждение в большем по сравнению с известным ex = (0.8-1)10-с [10] значении затухания излучения линии D0, x. Резкое уменьшение времени затухания линии D0, x в наносекундном диапазоне указывает на уменьшение времени жизни свободного экситона при температуре термостата T 6 K. Об этом говорит и уменьшение интенсивности = излучения свободного экситона при увеличении температуры до 6 K в случае непрерывного слабого возбуждения.

Вследствие механизма образования связанного экситона (D0, x) это должно приводить к уменьшению времени распада последнего. Действительно (как видно из рис. 3), мы наблюдали уменьшение времени затухания ФЛ линии связанного экситона (D0, x). Это свидетельствует о том, что спад интеграла I(t, T ) при подходе снизу к температуре 6 K, так же, как и уменьшение интенсивности Рис. 3. Затухание ФЛ линии D0, x в наносекундном диапазоне.

L — лазерный импульс. Сплошной линией показана экспери- излучения свободного экситона при этой температуре, ментальная кривая затухания при T = 7 K. Штриховыми лини- определяется термостимулированным захватом электроями показаны результаты вычисления свертки при различных нов (экситонов) в состояние с большим временем жизни значениях параметра. На вставке — зависимость затухания относительно рекомбинации, что эквивалентно метастаот температуры.

бильному состоянию. Увеличение значения интеграла при T > 6 K можно объяснить следующим. Как видно из рисунка (рис. 2, c), глубина минимума в сопоставимом масштабе невелика. Это говорит о том, что число захвалинии свободного экситона. Последнее обстоятельство e ченных в состояние Ems электронов также невелико. В очень важное, поскольку указывает на то, что электроны таком случае некоторое увеличение I(t, T ) в окрестности захватываются в состояние, энергетически расположенT > 6K(условие минимума), так же, как иисчезновение ное вблизи края зоны проводимости, и вследствие этого минимума при высоких интенсивностях возбуждения, не участвуют в излучательной рекомбинации. В этом объясняется тем, что разогретые электроны с энергией случае это должно проявляться не только в медленной e E > Ems не захватываются в это состояние и процесс кинетике, но также и в быстром затухании экситонов.

высвечивания идет обычным путем.

Для того чтобы убедиться в этом, мы исследовали Таким образом, из представленной совокупности эксзатухание линии D0, x в наносекундном диапазоне. С периментальных данных можно сделать вывод о том, что целью увеличения точности обработки экспериментальна высвечивание экситонов в n-GaAs заметное влияние ных результатов мы использовали операцию свертки e оказывает электронное метастабильное состояние Ems.

S( ) = f (t)F( -t)dt. В качестве f (t) мы использоваВ силу того, что свободные экситоны образуются из e зонных носителей, следует полагать, что состояние Ems ли экспериментально полученный лазерный импульс, а является резонансным с зоной проводимости. Примефункцию F( - t) задавали в виде exp -{(t - t0/ )}2, нительно к природе этого состояния можно сказать поскольку именно такая функция наилучшим образом следующее. Поскольку энергия термостимулированноописывает затухание ФЛ. Результат такой обработки e го захвата в состояние Ems (0.51 мэв) много меньше кривой затухания ФЛ при одном значении T представлен величины, полученной для DX-центров [3], мало вена рис. 3. На вставке показано изменение полученного роятно, что это состояние может ассоциироваться с таким образом времени затухания от температуры. Как этими центрами. Можно предположить, что состояние видно из рисунка, время распада связанного экситона e Ems может быть обусловлено содержанием остаточных резко уменьшается при T 6K.

= примесей переходных металлов (например, Cr), которые Рассмотрим, чем объясняется такая зависимость времогут вызвать появление резонансного состояния в зоне мени затухания от температуры. В наших условиях экспроводимости [11]. Однако, принимая в расчет низкую перимента свободный экситон образуется из свободных степень компенсации и высокое качество эпитаксиальносителей [9]. Связанный экситон (D0, x) образуетных слоев арсенида галлия, мы полагаем, что состояние ся путем захвата донором либо свободного экситона e Ems обусловлено наличием D-центров [12].

как целого, либо свободных носителей. Время жизни свободных экситонов и электронов в образцах n-GaAs В заключение авторы считают своим приятным долгом высокого качества больше времени излучательной ре- выразить признательность В.В. Травникову и А.В. Акимокомбинации связанного экситона D0, x. Поэтому веро- ву за плодотворные дискуссии.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 310 В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев Список литературы [1] D. Bimberg, H. Munzel, A. Steckenborn, J. Christen. Phys.

Rev. B, 31, 7788 (1985).

[2] P.M. Mooney. J. Appl. Phys. 67, R1 (1990).

[3] T.N. Theis, P.M. Mooney, S.L. Wright. Phys. Rev. Lett. 60, (1988).

[4] G. Brunhaler, K. Ploog, W. Juntsch. Phys. Rev. Lett., 63, (1989).

[5] А.В. Акимов, А.А. Каплянский, В.В. Криволапчук, Е.В. Москаленко. Письма ЖЭТФ, 46, 35 (1987).

[6] А.В. Акимов, В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев, В.Г. Шофман. ФТП, 27, 310 (1993).

[7] E.H. Bogardus, H.B. Bebb. Phys. Rev. 176, 993 (1968).

[8] Б.Л. Гельмонт, Н.Н. Зиновьев, Д.И. Ковалев, В.А. Харченко, И.Д. Ярошецкий, И.Н. Яссиевич. ЖЭТФ, 94, 332 (1988).

[9] C. Weisbuch. Sol. St. Electron. 21, 179 (1978).

[10] C.J. Hwang. Phys. Rev. B, 8, 646 (1973).

[11] А.Э. Васильев, Н.П. Ильин, В.Ф. Мастеров. ФТП, 23 (1989).

[12] C.J. Armistead, S.P. Najda, R.A. Stradling, J.C. Maan. Sol. St.

Commun., 53, 1109 (1985).

Редактор В.В. Чалдышев Effect of metastable states on lightening of excitons in n-GaAs.

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.