WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 2. Полосы ФЛ, возникающие при переходе свободных h bL =, (6) электронов на нейтральные атомы углерода при различных h(0) bL + Q+ exp(-a/kT ) температурах в кристаллах ПИН GaAs. 1 — эксперимент, 2 — гауссова кривая, построенная по соотношению (7); 3 и где h(0) — значение h при T 0K (h(0) 1, 4 — теоретические кривые, рассчитанные по соотношениям (1) см. выше), b = 10-6 с/см, L = 1018 кв/(см2 · c), a и (4) соответственно (параметры кривых см. в тексте).

a = 26 мэВ [h = f (L, T) при низких температурах (Q+ exp(-a/kT ) bL) и почти экспоненциально, по закону h LT3/2 exp(26 мэВ/kT ), понижается при высоких температурах (Q+ exp(-a/kT ) bL)].

4. Форма полосы люминесценции, индуцированной излучательной рекомбинацией свободных электронов на мелких акцепторах — атомах углерода в кристаллах ПИН GaAs (эксперимент) 4.1. Результаты Hа рис. 2 приведены измеренные при различных температурах в кристаллах ПИН GaAs спектры ФЛ, индуцируемые переходом свободных электронов на заполненные дырками атомы углерода. Как видно, при низкой температуре (T = 4.8K) спектр ФЛ может быть Рис. 3. Зависимости hm и w для углеродной полосы ФЛ от приближенно описан гауссовой кривой с положением температуры в кристаллах ПИН GaAs. Точки — эксперимент, максимума излучения hm = 1.493 эВ и полушириной сплошные и штриховые линии 1, 1, 2 и 2 — теоретические w = 3.4мэВ:

зависимости hm(T ) и w(T), построенные согласно соотношениям (2), (4), (3) и (4) соответственно (параметры кривых см.

(h - hm)Ica(h) =Ica(hm) exp -(4ln2). (7) в тексте).

wФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 400 К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук турных (T = 1.8-4.8K) величин hm и w для углеродной полосы люминесценции от концентрации атомов углерода NC и мелких фоновых доноров Nd.1 Как видно, hm не зависит от NC и Nd, a w тем выше, чем больше NC и Nd.

4.2. Обсуждение результатов 4.2.1. Анализ по модели 1. На рис. 2 показаны рассчитанные по соотношению (1) для различных температур теоретические спектры ФЛ, обусловленные излучательной рекомбинацией свободных электронов на Рис. 4. Зависимости hm (1, 1 ) и w (2, 2 ) для углеродной изолированных атомах углерода (при расчете теоретиполосы ФЛ от интенсивности возбуждения при T = 4.8 (1, 2) ческих зависимостей значения Eg = f (T ) определялись и 77 K(1, 2 ).

из данных работы [14]). Как видно, наблюдается отличие экспериментальных и теоретических форм спектров ФЛ, обусловленных электронными переходами e C0.

As Это отличие достаточно велико при низких температурах (T 25 K). Однако при высоких температурах (T 35 K) это отличие существенно меньше.

На рис. 3 показаны теоретические (рассчитанные по соотношениям (2) и (3)) зависимости hm и w для изучаемых переходов e C0 от температуры. Как As видно, во всем температурном интервале наблюдается удовлетворительное совпадение экспериментальных и теоретических зависимостей hm = f (T ). В то же время наблюдаемый вид зависимостей w = f (T ) отличается от теоретического при низких температурах и близок к теоретическому при высоких температурах.

Экспериментальные зависимости hm и w от L (см. рис. 4) в принципе не противоречат теоретическим Рис. 5. Положение максимума и полуширина индуцированной (см. соотношения (2) и (3)).

углеродом полосы ФЛ в кристаллах ПИН GaAs с различным На рис. 5 приведены ожидаемые (исходя из простейсодержанием акцепторов (атомов углерода) и доноров при шей модели 1) теоретические зависимости величин hm и T = 1.8 (3), 4.2 (1) и 4.8 K (2, 4). Nd 10NC (1, 2);

= w для изучаемой полосы ФЛ от концентрации углерода Nd + NEL2 3NC (3, 4). 1, 2 и 3 — по данным работ [1], [3] = и фоновых доноров. Как видно, значения hm близки к и [13] cоответственно; 4 — данные настоящей работы. Штритеоретическим (см. соотношение (2)) во всем диапазоне ховые линии 5 и 6 — теоретические кривые, построенные по значений NC и Nd. Однако величины w близки к теоретисоотношениям (2) и (3) соответственно (параметры кривых см.

в тексте). ческим (определяемым соотношением (3)) лишь в слабо легированных кристаллах (рис. 5). В сильно легированных кристаллах ПИН GaAs (NC, Nd 1015-1016 см-3) = величины w значительно выше (рис. 5).

По мере повышения температуры форма спектра ФЛ видоизменяется, наблюдается немонотонный сдвиг по4.3. Анализ по модели 2.

ложения максимума излучения (сначала в высокоэнергетическую, а затем в низкоэнергетическую область) и Из приведенных выше данных видно, что теоретимонотонное увеличение ее полуширины.

ческая модель 1 не может объяснить наблюдаемый в Отмеченное также следует из приведенных на рис. кристаллах ПИН GaAs при низких температурах вид зависимостей положения максимума и полуширины изуспектра ФЛ, обусловленного излучательной рекомбиначаемой углеродной полосы ФЛ от температуры.

цией свободных электронов на атомах углерода (наблюНа рис. 4 показаны при низких и высоких темперадается существенное отличие экспериментальных и теотурах (в области Ica = f (1/T ) и Ica = f (1/T ), см.

ретических спектров ФЛ, в частности, его значительное рис. 3) положение максимума и полуширины углеродной уширение). Лишь при умеренных и высоких темпераполосы люминесценции от интенсивности возбуждения.

турах экспериментально наблюдаемая форма спектров Как видно, величины hm и w (как иформа самойполосы B [3] приведены данные для величин w при 7 K (w 1.2 мэВ = ФЛ) практически не зависят от L.

= 2 kT ) и 10 K (w 1.6 мэВ 2 kT ). Их значения близки к = = На рис. 5 приведены полученные нами, а также иными теоретически ожидаемым. Поэтому на рис. 5 показаны величины w, авторами [1,3,13] данные о зависимости низкотемпера- экстраполированные к 4.8 K (w 0.8 мэВ 1.8 kT ).

= = Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Анализ формы полосы люминесценции, обусловленной переходами свободных электронов... ФЛ удовлетворительно совпадает с теоретической (по h(ai) exp(ai/kT ), уменьшается при высоких мере повышения температуры форма рассматриваемой температурах (Q+ exp(-ai/kT ) bL).

полосы ФЛ приближается к ожидаемой теоретической). Сама плотность акцепторных уровней в примесной зоВ связи с изложенным необходимо провести анализ не кристаллов ПИН GaAs, исходя из изложенного в п. 2.экспериментальных данных, используя теоретическую и наблюдаемой (при h = f (ai), см.соотношение(8)) модель 2. формы низкотемпературного спектра ФЛ (см. соотношеОчевидно, для объяснения экспериментальных данных ние (7)), описывается следующей гауссовой кривой:

(в частности, значительного уширения при низких тем(ai - a)пературах углеродных спектров ФЛ) необходимо предh = h max exp -(4ln2), (9) wположить, что в исследуемых кристаллах ПИН GaAs h атомы углерода не являются изолированными. Тогда где a = 26 мэВ и wh = 3.4 мэВ — полуширина спектра одним из наиболее выроятных объяснений наблюдаемого плотности состояний в примесной акцепторной зоне при низких температурах уширения углеродной полосы (несомненно, wh =(8ln2)1/2 ·, см. [8]).

ФЛ и изменения ее формы при вариации температуры Отмеченное, естественно, находит отображение в знаявляется следующий (этот механизм подтверждается чительном возрастании полуширины индуцируемой угленаблюдаемой на опыте зависимостью w = f (NC, Nd), родом (переходами e C0 ) полосы люминесценции — As т. е. значительным уширением исследуемой полосы ФЛ w становится порядка ”размазывания” энергий ионизав кристаллах ПИН GaAs, см. рис. 5).

ции атомов углерода a max - a min 4мэВ (см. п. 2.2).

= Вследствие относительно высокой средней конценНесомненно, температурное уширение рассматриваетрации атомов углерода, а также значительных конмой полосы люминесценции связано в основном с соотцентраций легко ионизируемых и глубоких доноров, ветствующими изменениями энергетического распредев кристаллах ПИН GaAs весьма вероятен структурления электронов в зоне проводимости (они занимают ный беспорядок — значительные флуктуации концен- тем более высокие энергетические состояния, чем выше траций отрицательно заряженных акцепторов NC и по+ + ложительно заряженных мелких Nd и глубоких NEL2 температура). Само уширение несколько ниже ожидаемого, поскольку одновременно с ростом температуры доноров, т. е. скопления беспорядочно расположенных (при не слишком высоких ее значениях) происходит близлежащих заряженных акцепторов и доноров. Это относительно небольшое сужение спектра ФЛ вследприводит к существенному силовому взаимодействию ствие уменьшения заполнения дырками самых мелких атомов углерода между собой и с мелкими и глубокими состояний в акцепторной примесной зоне (см. п. 2.2).донорами, т. е. возникновению флуктуаций примесного Очевидно, при высоких температурах (T > wh/1.8k) потенциала (как следует из приведенного далее знауказанное температурное уширение спектра излучения чения wh, среднеквадратичная глубина потенциальной может существенно превышать начальную (наблюдае ямы 1.5мэВ). Следствием воздействия электриче= мую при низких T) полуширину углеродной полосы ских полей флуктуаций на нейтральные атомы углерода люминесценции (w1 1.8 kT wh). Поэтому при = (именно на них происходит излучательная рекомбинация высоких температурах (T 35 K) вид рассматриваесвободных электронов) является появление широкого мого углеродного спектра будет почти полностью опредиапазона энергий ионизации атомов углерода ai (сущеделяться обсуждаемым температурным уширением — ственное концентрационное уширение энергетического w2 w1 wh (рис. 2 и 3).

= спектра создаваемых ими уровней, т. е. образование акцеСледует также ожидать совпадения экспериментальпторной примесной зоны) (см. п. 2.2).2 Весьма вероятно, ных и теоретических (для переходов e C0 ) зависимоAs что заполнение любых уровней в этой зоне, как следует стей hm = f (T ). Это связано с тем, что максимальная из наблюдаемой на опыте зависимости h = f (1/T ), плотность состояний в акцепторной примесной зоне будет определяться соотношением находится при энергии a [4,8]. Поэтому положение = h(ai) bL максимума люминесценции изучаемой углеродной поло=, (8) сы ФЛ определяется соотношением, близким к (2), незаh(0, ai) bL + Q+ exp(-ai/kT ) висимо от того, связано ли излучение с изолированными где h(0, ai) — значение h(ai) при или взаимодействующими (приводящими к образованию T 0K (h(0, ai) 1, см. выше);

примесной зоны) атомами углерода.

очевидно, h = f (ai) при низких температурах Отмеченная выше независимость вида спектров ФЛ (Q+ exp(-ai/kT ) bL) и экспоненциально, по закону (величин hm и w) от L, т. е. p (на опыте p L), связана с тем, что в исследуемых кристаллах заполнение В исследуемых кристаллах концентрации заряженных акцепторов - + + электронных состояний в примесной зоне при низких и доноров примерно равны (очевидно, NC Nd + NEL2). Следо= вательно, вблизи каждого донора находится один акцептор. Однако, температурах (h = f (T )) вообще не зависит от L, вследствие их беспорядочного расположения, расстояние между ними, т. е. создаваемые ими силовые поля, существенно отличаются в Как видно из соотношения (8), увеличение L расширяет область различных точках кристалла. Тогда наблюдаемое уширение уровней независимости h от T. Очевидным следствием этого будет сдвиг к углерода связано с тем, что последние попадают в силовые поля разной высоким температурам начала области, в которой отмеченное сужение величины. спектра ФЛ имеет место.

2 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 402 К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук а при высоких (h = f (T )) — одинаково изменяется [8] А.П. Леванюк, В.В. Осипов. ФТП, 7, 1575 (1973).

[9] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства с L (см. соотношение (8)).легированных полупроводников (М., Наука, 1979).

Приведенные объяснения подтверждаются сравнением [10] В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводизмеренных и теоретических (построенных по соотников (М., Наука, 1990).

ношению (4) с помощью численного интегрирования) [11] J.D. Dow, D.L. Smith, F.L. Lederman. Phys. Rev. B, 8, форм углеродных спектров ФЛ при различных темпера(1973).

турах. Это сравнение показано на рис. 4 и 5 (при расчете [12] К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, теоретических кривых величины h и h задавались О.Н. Стрильчук. Оптоэлектрон. и полупроводн. техн., соотношениями (8) и (9), где L = 1018 кв./(см2 · c)).

вып. 34, 42 (1999).

Как видно, наблюдается качественное согласие экспе[13] M. Maciaszek, D.W. Rogers, R.P. Bult. Canad. J. Phys., 67, риментальной и теоретической (по модели 2) формы 384 (1989).

рассматриваемой углеродной полосы ФЛ и температур- [14] E. Grilly, M. Guzzi, L. Pavesi. Phys. Rev. B, 45, 1638 (1992).

[15] В.В. Осипов, Т.И. Соболева, М.Г. Фойгель. ФТП, 11, ных изменений положения ее максимума и полуширины.

(1977).

Сравнительно небольшое отличие экспериментальной и [16] В.В. Осипов, Т.И. Соболева, М.Г. Фойгель. ФТП, 13, теоретической формы спектра ФЛ связано в основном (1979).

с использованием весьма грубой теоретической модели для описания излучательных переходов свободных Редактор В.В. Чалдышев электронов на дырки в акцепторной примесной зоне (в частности, неучет искажения краев зоны проводиAn analysis of the shape мости и валентной зоны флуктуирующим примесным of a luminescence band induced by free потенциалом, пренебрежение возможной зависимостью electron-to-carbon atom transitions вероятностей перехода свободных электронов на расщепin semi-insulating undoped GaAs crystals ленные уровни углерода от и ai и др. [8,15,16]).

K.D. Glinchuk, N.M. Litovchenko, A.V. Prokhorovich, O.N. Strilchuk 5. Заключение Institute of Semiconductor Physics, Наблюдаемое в кристаллах ПИН GaAs при низких National Academy of Sciences of Ukraine температурах существенное отличие формы полосы ФЛ, 03028 Kiev, Ukraine индуцируемой переходами свободных электронов на вводимые углеродом акцепторные уровни, от теоретически

Abstract

The shape of a photoluminescence band observed ожидаемой связано с концентрационным уширением поdue to recombination of free electrons on shallow acceptors следних, а их совпадение при высоких температурах — (carbon atoms) in semi-insulating undoped GaAs crystals has с увеличением средней энергии свободных электронов.

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.