WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Экситонная фотолюминесценция и вертикальный транспорт фотовозбужденных носителей в сверхрешетках CdSe/CdMgSe © И.И. Решина¶, С.В. Иванов, Д.Н. Мирлин, И.В. Седова, С.В. Сорокин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 7 сентября 2004 г. Принята к печати 17 сентября 2004 г.) Впервые исследованы спектры фотолюминесценции, возбуждения фотолюминесценции, рамановское рассеяние на фононах и вертикальный транспорт (вдоль направления роста) фотовозбужденных носителей и экситонов в слабонапряженных сверхрешетках CdSe/CdMgSe типа I, выращенных на подложках InAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Исследования проводились при различных температурах и интенсивностях возбуждения. Вертикальный транспорт исследовался чисто оптически по методу встроенной в сверхрешетку уширенной квантовой ямы, служившей резервуаром, в который попадают экситоны и носители заряда после туннелирования через сверхрешетку. При температурах 2–150 K транспорт преимущественно осуществляется свободными экситонами, но в сверхрешетках с периодами 5.9 и 7.3 нм он не является блоховским. Сравнение расчетных энергий межподзонных переходов в сверхрешетках с экспериментом дает относительную величину разрыва для валентной зоны в диапазоне 0.4–0.5. Из спектров рамановского рассеяния установлен двухмодовый характер поведения для оптических фононов в CdMgSe.

1. Введение для изготовления лазеров ИК диапазона, работающих при высоких температурах.

В настоящей работе впервые исследованы спектры Таким образом, представляет как фундаментальный, фотолюминесценции (ФЛ) и возбуждения фотолюми- так и практический интерес исследование оптических несценции (ВФЛ), вертикальный транспорт носителей свойств новых твердых растворов CdMgSe и сверхрезаряда и экситонов, а также рамановское рассеяние шеток CdSe/CdMgSe, выращенных на подложках InAs, и в сверхрешетках (СР) CdSe/CdMgSe. Насколько нам в частности вертикального (вдоль оси роста) транспорта известно, ранее оптические и структурные свойства в носителей заряда и экситонов через такие сверхрешетки.

СР типа I с квантовыми ямами CdSe не изучались В данной работе использован впервые предложенный из-за отсутствия соответствующих структур. Известно, в [7] чисто оптический метод исследования вертикальчто при росте гетероструктур ZnSe/CdSe вследствие ного транспорта носителей заряда и экситонов путем большого рассогласования постоянных решетки (7%) сравнения интенсивностей ФЛ из сверхрешетки и из даже тонкие (менее одного монослоя) слои CdSe пре- встроенной в нее уширенной квантовой ямы (УКЯ).

вращаются в процессе роста в структуры с квантовыми дисками смешанного состава CdZnSe [1]. Люминесцен2. Изготовление структур и методика ция и рамановское рассеяние в подобных структурах эксперимента с квантовыми дисками изучались нами ранее [2,3].

Исследовалась также фотолюминесценция в структурах Методом МПЭ были изготовлены три сверхрешетс квантовыми ямами CdSe/ZnTe типа II, выращенных ки CdSe/Cd1-xMgx Se, параметры которых приведены на подложке GaAs и буферном слое ZnTe [4]. Межв табл. 1. Сверхрешетки состояли из 40 периодов с ду тем было показано, что существует возможность выращенной в центральной части УКЯ CdSe шириной выращивания методом молекулярно-пучковой эпитаксии 100, служившей резервуаром, в который попадали (МПЭ) слабонапряженных структур CdSe/CdMgSe тифотовозбужденные носители заряда в результате вертипа I со структурой цинковой обманки на подложках кального транспорта через СР.

InAs [5].

Подложки InAs, предварительно пассивированные в С другой стороны, недавно эти материалы были растворе Na2S, помещались в камеру МПЭ соединений предложены в качестве ключевого элемента нового AIIIBV. Там производился их последовательный отжиг типа гибридных лазерных диодов AIIIBV/AIIBVI среднего под потоком As4 вплоть до температуры 480C — инфракрасного (ИК) диапазона. Такие лазерные гетеродо получения отчетливой реконструкции поверхности структуры, состоящие из активного слоя InAs между (2 4). Далее подложки перемещались под вакуумом в слоями AlAsSb и Cd(Mg)Se, были недавно выращены камеру роста AIIBVI, где и осуществлялось выращивание с помощью МПЭ, и на них наблюдалась импульсная соединений CdMgSe после инициации роста в режиме генерация с длиной волны 2.78 мкм вплоть до 100 K [6].

эпитаксии с повышенной миграцией атомов [8]. ПроизФормирование совершенной гетеровалентной границы водился рост слоя CdMgSe толщиной 0.3 мкм при 280C, между InAs и Cd(Mg)Se является основным условием затем выращивалось 40 периодов СР CdSe/CdMgSe c ¶ E-mail: reshina@dnm.ioffe.rssi.ru УКЯ CdSe в центре, затем слой CdMgSe толщиной Экситонная фотолюминесценция и вертикальный транспорт фотовозбужденных носителей... Таблица 1. Параметры СР CdSe/Cd1-xMgx Se и сравнение энергий расщеплений тяжелого и легкого экситонов и разностей расчетных энергий межподзонных переходов e-hh и e-lh Расчет E, EB Эксперимент CP dw, нм/db, нм x Q E, EB, Q E, EB, Elh-Ehh, мэВ мэВ мэВ мэВ мэВ 1-235 3.65/3.65 0.23 37 0.40 37.2 25.4 0.3 28.5 31.(3.4/3.9) (0.22) 1-106 2.95/2.95 0.16 34 0.45 32.5 21.4 0.3 20.0 31.(2.7/3.2) (0.175) 1-105 1.85/1.85 0.18 22 0.50 22.8 19.2 0.3 10.7 30.(1.85/1.85) (0.175) Примечание. В скобках приведены значения, использованные в расчете и дающие наилучшее согласие с экспериментом. E = E(e - lh) - E(e - hh), EB = E(e - hh) - Ehh. Q — относительный разрыв валентной зоны.

0.1 мкм и слой CdSe толщиной 50. Состояние поверх- выше энергии запрещенной зоны СР. На рис. 1 приведен ности в процессе роста контролировалось по дифракции спектр ФЛ для СР с периодом dw + db = 5.9 нм. При электронов высокой энергии в отражении. Период СР, гелиевых температурах в спектре наблюдалось шесть средняя концентрация Mg в СР и концентрация Mg пиков, которые на основании температурных измерев обкладках определись из измерений рентгеновской ний были идентифицированы как линии локализованных дифракции. Это позволяет определить одновременно и свободных экситонов в УКЯ (EW) и CP (SL) и толщины слоев ям (dw) и барьеров (db), если концентра- две донорно-акцепторные полосы (D–A). Интерпретация ция Mg в барьерах и обкладках одинакова. Для двух СР основывается на том, что при повышении температус меньшими периодами толщины слоев ям и барьеров ры относительная интенсивность пиков, связанных с определялись независимо с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

Измерения спектров ФЛ и рамановского рассеяния проводились на спектрометрах с двойными монохроматорами Jobin Ivon U-1000 и ДФС-24 с дисперсией 2.и 5 /мм cоответственно. Регистрация осуществлялась охлаждаемыми фотоумножителями со счетом фотонов на GaAs и ФЭУ-79 соответственно. Возбуждение осуществлялось He–Ne-лазером (энергия Eexc = 1.96 эВ) и Ar+-лазером (энергия Eexc = 2.54, 2.41 эВ).

Спектры ВФЛ регистрировались на установке СДЛ-2 с монохроматорами МДР-23 (дисперсия 13 /мм) для измерения люминесценции и МДР-12 (дисперсия 24 /мм) для возбуждения люминесценции. Источником возбуждения была галогеновая лампа. На этой же установке измерялись спектры отражения в экситонной области.

В этом случае образец освещался непосредственно сфокусированным светом галогеновой лампы.

Образец при измерениях находился в гелиевом криостате в парах гелия с откачкой или в гелиевом криостате с медным пальцем, в котором температура образца составляла T 30 K.

3. Экспериментальные результаты и обсуждение Рис. 1. Спектр фотолюминесценции (PL) CP (2.95/2.95) нм.

T = 2K; Eexc = 1.96 эВ. Пунктирные кривые — найденные 3.1. Спектры люминесценции путем разложения спектра линии свободных и локализованных Спектры ФЛ СР измерялись при различных темпеэкситонов в УКЯ (EW, область 1.75 эВ), в СР (SL, область ратурах от 2.2 до 100 K и различных интенсивностях 1.85 эВ), а также полосы донорно-акцепторных пар (D–A, 1.возбуждения. Возбуждение производилось с энергией и 1.8 эВ); сплошная тонкая линия — суммарный спектр.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 458 И.И. Решина, С.В. Иванов, Д.Н. Мирлин, И.В. Седова, С.В. Сорокин локализованными экситонами и донорно-акцепторной рекомбинацией, уменьшается. Донорно-акцепторный пик при увеличении интенсивности накачки сдвигается к высоким частотам и сужается. Такое поведение характерно для донорно-акцепторных пар и связано с насыщением удаленных пар и уменьшением среднего значения расстояния между донором и акцептором в паре. При очень слабых интенсивностях накачки наблюдалось появление дополнительных донорно-акцепторных пиков. При температуре 77 K в спектре ФЛ остается три пика: наиболее интенсивный пик, связанный с экситонами УКЯ; пик, связанный с экситонами СР; слабый пик донорно-акцепторных пар. Полуширина пиков ФЛ, обусловленных свободными экситонами, при 2 K составляла 4 мэВ в УКЯ и 6мэВ в СР.

3.2. Спектры возбуждения люминесценции и спектры отражения Спектры ВФЛ представлены на рис. 2. Кривые 1, 2 и соответствуют спектрам возбуждения ФЛ из разных СР при детектировании в максимуме полосы люминесценции из УКЯ. Наблюдается резкий подъем интенсивности этой люминесценции, когда происходит возбуждение Рис. 3. Спектры отражения, продифференцированные по энерэлектронно-дырочных пар в сверхрешетке. При этом гии. T = 30 K. 1 —CP (3.65/3.65) нм, 2 —CP (2.95/2.95) нм, 3 —CP (1.85/1.85) нм.

в спектре наблюдаются два пика, hh и lh, идентифицированные как обусловленные тяжелыми и легкими экситонами СР, и широкий пик при энергии, большей 2 эВ, по-видимому, соответствующий возбуждению в обкладках CdMgSe. При детектировании в пике тяжелого экситона СР наблюдается пик легкого экситона СР (спектр 1 ). Идентификация hh и lh как пиков тяжелых и легких экситонов СР основана на измерениях при циркулярной поляризации излучения возбуждения и люминесценции. Пик hh был интенсивнее в поляризации ++, a пик lh в поляризации -+. Пики hh и lh видны в спектрах возбуждения вплоть до температур 200 K, т. е. до диссоциации экситонов. Таким образом, из спектров возбуждения следует, что фотолюминесценция из УКЯ определяется экситонами и носителями заряда, возбужденными в СР и захваченными в УКЯ после их туннелирования сквозь СР. Наличие четких экситонных пиков сверхрешетки в спектре возбуждения указывает на то, что экситоны принимают существенное участие в вертикальном транспорте. Мы полагаем, что их участие является определяющим по сравнению со свободными носителями, так как время формирования Рис. 2. Спектры возбуждения фотолюминесценции (PL).

экситонов обычно меньше времени их излучения. На T = 30 K. 1, 1 —CP (3.65/3.65) нм, 2 —CP (2.95/2.95) нм, рис. 3 представлены производные по энергии спектров 3 —CP (1.85/1.85) нм. (1-3) — детектирование в максимуме отражения сверхрешеток dR/dE. Видны резонансные линии hh-экситона УКЯ; 1 — детектирование в максимуме пики, соответствующие тяжелым и легким экситонам линии hh-экситона СР. Спектры смещены по оси ординат для УКЯ и СР, а также пики люминесценции из обкладок.

наглядности.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Экситонная фотолюминесценция и вертикальный транспорт фотовозбужденных носителей... 3.3. Зависимость вертикального транспорта от температуры и плотности накачки Об эффективности вертикального транспорта и, в частности о его зависимости от температуры можно судить по отношению интегральной интенсивности экситонной ФЛ из УКЯ, I(EW), к интегральной интенсивности ФЛ экситона из СР, I(SL) (рис. 4). В области низких температур зависимость от температуры очень слабая, а начиная примерно с 17 K и выше она имеет активационный характер, что можно объяснить делокализацией экситонов. Для СР (1.85/1.85) нм энергия активации составляет = 8.5мэВ. Для СР (2.95/2.95) нм было найдено меньшее значение — 3.7 мэВ, и возможная причина заключается в том, что в измеренном температурном интервале диссоциация только начинается.

Эффективность вертикального транспорта, которую можно определить как отношение интегральной интенсивности из УКЯ к суммарной интенсивности из СР и УКЯ, сильно зависит от интенсивности накачки. Как видно из рис. 5, с увеличением интенсивности накачки это отношение увеличивается, т. е. эффективность вертикального транспорта увеличивается. Это можно объяснить насыщением концентрации локализованных экситонов в СР и увеличением концентрации свободных Рис. 5. Зависимость вертикального транспорта от интенэкситонов, посредством которых и осуществляется версивности возбуждения. T = 30 K, Eexc = 1.96 эВ. 1 — CP тикальный транспорт в УКЯ. Измерения, проведенные (1.85/1.85) нм, 2 —CP (2.95/2.95) нм.

для СР (1.85/1.85) и (2.95/2.95) нм, показали, что при плотности накачки W > 1Вт/см2 отношение эффективности вертикального транспорта к плотности накачки практически не зависит от W при температурах 30 и 100 K. Таким образом, при W > 1Вт/см2 один и тот же механизм вертикального транспорта является определяющим при всех плотностях возбуждения. По нашему мнению, этим механизмом является туннелирование экситонов.

Как видно из рис. 5, эффективность вертикального транспорта существенно больше в СР с меньшим периодом. Основные различия в эффективности вертикального транспорта в исследованных СР связаны, по-видимому, с существенным различием в ширине минизон тяжелых дырок. Оценки в приближении эффективной массы дают значения ширины минизоны тяжелых дырок 0.2, 1.4 и 15.8 мэВ для СР (3.65/3.65), (2.95/2.95) и (1.85/1.85) нм соответственно.

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.