WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 4 Рекомбинация экситонов в -легированных сверхрешетках второго рода GaAs/AlAs © К.С. Журавлев¶, А.К. Сулайманов, А.М. Гилинский, Л.С. Брагинский, А.И. Торопов, А.К. Бакаров Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 16 июля 2001 г. Принята к печати 13 сентября 2001 г.) Проведено экспериментальное исследование излучательной рекомбинации экситонов в -легированных сверхрешетках второго рода GaAs/AlAs. Обнаружено, что при увеличении концентрации примеси в -слоях от 2 · 1010 до 7.5 · 1011 см-2 наблюдается уменьшение интегральной интенсивности фотолюминесценции сверхрешеток в 4-6 раз при значительном (до 70-80 раз) падении интенсивности экситонной фотолюминесценции, сопровождаемом ростом темпа излучательной рекомбинации экситонов.

При однородном легировании сверхрешетки тушения экситонной фотолюминесценции не наблюдается.

Исследование температурной зависимости и кинетики фотолюминесценции показало, что концентрационное тушение экситоной фотолюминесценции в -легированных структурах не связано с уменьшением энергии локализации экситонов и не может быть объяснено увеличением концентрации центров безызлучательной рекомбинации. Мы заключаем, что основной причиной примесного тушения фотолюминесценции являются индуцированные ионизованными примесями встроенные электрические поля, препятствующие образованию экситонов.

1. Введение -легированных сверхрешеток и обсуждаем различия между -легированными и однородно легированными сверхрешетками.

Механизмы рекомбинации элементарных возбуждений в квантовых ямах и сверхрешетках второго рода существенно отличаются от механизмов рекомбинации в 2. Образцы и методика эксперимента прямозонных сверхрешетках и объемных материалах и в течение ряда лет интенсивно исследуются как теоОбъектами исследования являлись -легированные ретически, так и экспериментально [1–7]. В последнее сверхрешетки второго рода GaAs/AlAs, выращенные мевремя исследование механизмов рекомбинации в структодом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подтурах второго рода приобретает не только фундаменложках GaAs ориентации (100) при температуре 600C.

тальное, но и прикладное значение: как было показаИсследуемые структуры содержали буферный слой GaAs но, в сверхрешетках второго рода возможно подавлетолщиной 0.5 мкм и сверхрешетку из 40 пар слоев GaAs ние оже-рекомбинации, являющейся основным каналом и AlAs с толщинами соответственно 7 и 9 монослоев.

безызлучательной рекомбинации при высоких темпераСлои GaAs легировались бериллием, который является турах и плотностях возбуждения [1], что может обеспеакцептором, слои AlAs легировались кремнием, являючить получение на основе таких структур низкопорогощимся преимущественно донорной примесью. Конценвых инжекционных лазеров [2]. Основной особенностью трации доноров (ND) и акцепторов (NA) при росте задамеханизмов рекомбинации в сверхрешетках второго рода вались одинаковыми и изменялись от образца к образцу GaAs/AlAs является необходимость рассеяния большого в пределах от 2 · 1010 до 7.5 · 1011 см-2. Дельта-слои квазиимпульса электрона, находящегося в X-долине зоны примесей располагались на расстоянии в 2 монослоя проводимости AlAs, при его рекомбинации с дыркой, от прямой (слой AlAs на слое GaAs) гетерограницы.

расположенной в -долине валентной зоны GaAs. РасДля сравнения выращивались также аналогичные сверхсеяние квазиимпульса может происходить на плоских решетки, легированные однородно. Были выращены две участках и шероховатостях гетерограницы [3,4,8], а таксерии образцов из исходных материалов (Ga, Al, As) же с участием фононов, примесей и центров безызразличных фирм — изготовителей. Для возбуждения лучательной рекомбинации [1,5,6]. Настоящая работа стационарной фотолюминесценции (ФЛ) использовался посвящена экспериментальному исследованию влияния Ar+-лазер с длиной волны излучения = 488 нм и примесей на рекомбинацию экситонов в сверхрешетках плотностью мощности на образце 30 Вт/см2. При измевторого рода GaAs/AlAs. Ранее роль примесей в ре- рении кинетики и спектров нестационарной ФЛ возбукомбинации экситонов изучалась только при однородном ждение осуществлялось излучением второй гармоники легировании структур второго рода. В данной работе импульсного YAG : Nd-лазера ( = 532 нм) с длительмы сообщаем результаты изучения фотолюминесценции ностью импульсов 150 нс, частотой повторения 5 кГц и пиковой плотностью мощности на образце 350 Вт/см2.

¶ Спектры и кинетика ФЛ регистрировались спектромеE-mail: zhur@thermo.isp.nsc.ru Fax: (3832) 332771 тром на основе двойного дифракционного монохромаРекомбинация экситонов в -легированных сверхрешетках второго рода GaAs/AlAs тора, оснащенного охлаждаемым фотоумножителем с фотокатодом типа S-20, работающим в режиме счета фотонов.

3. Экспериментальные результаты На рис. 1 представлены спектры стационарной ФЛ -легированных сверхрешеток второго рода GaAs/AlAs с различной концентрацией легирующей примеси, измеренные при температуре T = 4.2K. Здесь же приведен спектр однородно легированной кремнием сверхрешетки GaAs/AlAs с концентрацией примеси 5 · 1017 см-3. Как видно из рисунка, в спектре ФЛ -легированной структуры при низком уровне легирования доминирует линия Xz-экситона, состоящего из электрона в Xz-долине зоны Рис. 2. Концентрационные зависимости интенсивности беспроводимости AlAs и дырки в -долине валентной зоны фононной экситонной ФЛ (a) и интегральной интенсивности GaAs (спектр 1). Линии Y1 и Y2 являются фононными экситонной линии, ее фононных реплик и линии донорно-акповторениями линии Xz. Линия Y1 сдвинута по энерцепторной рекомбинации (b) для -легированных структур гии от линии Xz на 27 мэВ, что соответствует энергии ростовых серий 1 и 2. Температура измерения T = 4.2K.

LA-фононов в GaAs и AlAs, а линия Y2 —на 49 мэВ, что соответствует энергии LO-фононов в AlAs. При увеличении концентрации примесей наблюдается снижение волновая линия (D–A), идентифицированная нами ранее интенсивности линии Xz. При концентрации примесей выше 1 · 1011 см-2 в спектре также присутствует длинно- как линия межпримесных переходов между донорами, расположенными в слоях AlAs, и акцепторами, локализованными в слоях GaAs [7]. При наибольших концентрациях примесей эта линия доминирует в спектре. В отличие от -легированных структур, при однородном легировании сверхрешетки бесфононная экситонная линия Xz остается доминирующей в спектре (кривая 4), несмотря на то что при использовании объемной концентрации примесей 5·1017 см-3 среднее межпримесное расстояние равно среднему расстоянию между атомами примеси в плоскости -слоя при концентрации примеси 7·1011 см-2.

На рис. 2 показаны зависимости интенсивности бесфононной линии Xz и интегральной интенсивности ФЛ сверхрешеток обеих ростовых серий от концентрации легирующей примеси. Под интегральной интенсивностью ФЛ сверхрешетки здесь подразумевается суммарная интенсивность бесфононной экситонной линии, ее фононных реплик и линии донорно-акцепторной рекомбинации. Из рисунка видно, что с увеличением концентрации примеси наблюдается снижение интенсивности линии Xz и интегральной интенсивности ФЛ сверхрешеток, причем интегральная интенсивность ФЛ уменьшается в 4-6 раз, в то время как интенсивность линии Xz уменьшается в 70-80 раз, следуя закону, близкому к степенному с показателем степени 1.2. Монотонное падение интегральной интенсивности ФЛ сверхрешетки Рис. 1. Спектры стационарной ФЛ легированных сверхрес ростом уровня легирования указывает на увеличение шеток второго рода. (1–3) — -легированные сверхрешетки вероятности безызлучательной рекомбинации носителей с концентрациями примеси соответственно 5.5 · 1010, 2 · 1011, заряда в сверхрешетках с повышением концентрации 7.5 · 1011 см-2; 4 — однородно легированная сверхрешетка, примеси. Замена исходных материалов (Ga, As, Al) в которой среднее расстояние между атомами примеси соотне влияет на вид наблюдаемых зависимостей, приводя ветствует среднему межпримесному расстоянию в плоскости только к изменению абсолютных значений интенсивно-слоя при концентрации примеси ND, NA = 7 · 1011 см-2.

Температура измерения T = 4.2K. стей ФЛ сверхрешеток разных серий на 40-60%.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 486 К.С. Журавлев, А.К. Сулайманов, А.М. Гилинский, Л.С. Брагинский, А.И. Торопов, А.К. Бакаров с близкими параметрами, равным 15 мэВ [10]. При этом зависимости энергий Ea и Eb от концентрации легирующей примеси обнаружено не было. Это позволяет сделать вывод о независимости коэффициента диффузии экситонов от концентрации примеси вплоть до 5 · 1011 см-2. При концентрациях примеси свыше 5 · 1011 см-2 сильное перекрытие линии Xz с линией донорно-акцепторной рекомбинации в спектрах стационарной ФЛ делает достоверное определение энергий Ea и Eb невозможным.

Концентрация центров безызлучательной рекомбинации может быть определена из анализа кинетики эксиРис. 3. Температурные зависимости интенсивности бесфонон- тонной ФЛ. На рис. 4 показаны кривые затухания ной экситонной ФЛ сверхрешеток. Уровень легирования, см-2:

нестационарной экситонной ФЛ двух образцов с различ1 —2 · 1010, 2 —2 · 1011. Точки — эксперимент, сплошные ными уровнями легирования. Видно, что с повышением линии — расчет согласно (1).

концентрации легирующей примеси наблюдается увеличение темпа рекомбинации экситонов. Для определения концентрации центров безызлучательной рекомбинации кривые затухания I(t) аппроксимировались соотношениНаблюдаемое примесное тушение экситонной ФЛ ем, полученным в [5] в модели, учитывающей диффузию -легированных сверхрешеток может быть связано с экситонов между локализованными состояниями в двуувеличением темпа безызлучательной рекомбинации экмерном случае и их безызлучательную рекомбинацию в ситонов с ростом концентрации примесей, а также с тем, процессе этой диффузии, что встроенные электрические поля, индуцированные ионизованными примесями, препятствуют образованию I(t) (1 + 2wrt)-3/экситонов в сильно легированных структурах. Увеличение темпа безызлучательной рекомбинации может быть exp -4DEndt/ ln( + 4DEt/L2). (2) обусловлено уменьшением энергии локализации экситонов на шероховатостях гетерограницы, а также увелиЗдесь t — время, wr — средний по ансамблю темп чением концентрации центров безызлучательной рекомизлучательной рекомбинации экситонов, nd — конценбинации. Для определения роли различных механизмов трация центров безызлучательной рекомбинации, DE — в наблюдаемом примесном тушении экситонной ФЛ мы коэффициент диффузии экситонов, L — среднее расстоисследовали кинетику и температурные зависимости ФЛ яние между локализованными состояниями, = 5.сверхрешеток. Это позволило определить, зависят ли от и = 17.5 — константы [5]. В этой модели предполагаконцентрации примеси энергия локализации экситонов и ется, что среднее расстояние между центрами безызлучаконцентрация центров безызлучательной рекомбинации.

тельной рекомбинации (nd)-1/2 L, а излучательная реДля определения энергии локализации экситонов быкомбинация экситонов происходит благодаря рассеянию ли изучены температурные зависимости стационарной ими квазиимпульса на шероховатостях гетерограницы.

ФЛ сверхрешеток. На рис. 3 приведены температурные зависимости интегральной зависимости I(T) линии Xz-экситонов для различных концентраций примеси. Эти зависимости аппроксимировались соотношением [9] I(T ) =I0/ 1 + A exp(-Ea/kT ) +B exp(-Eb/kT ), (1) где Ea — энергия локализации экситона на шероховатостях гетерограницы, Eb — энергия связи экситона, I0 — интенсивность экситонной линии при низкой температуре, A и B — константы. Аппроксимация экспериментальных данных показала, что при изменении концентрации примеси до 5 · 1011 см-2 энергия локализации Ea находится в пределах 4.0-5.5 мэВ, что несколько меньше энергии локализации экситона Ea = 6.8 мэВ, полученной в работе [6]. Это различие связано с различием Рис. 4. Кинетика затухания нестационарной экситонной ФЛ параметров сравниваемых сверхрешеток. Энергия связи -легированных сверхрешеток при T = 4.2K. Точки — экситона Eb в том же диапазоне уровней легирования эксперимент, сплошные линии — расчет согласно (2). Уровень изменяется в пределах 19-22 мэВ, что согласуется с легирования, см-2: 1 —5.5 · 1010, 2 —5 · 1011. Штриховой расчетным значением энергии связи для сверхрешетки линией показан временной профиль лазерного импульса.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Рекомбинация экситонов в -легированных сверхрешетках второго рода GaAs/AlAs они получены путем отклонения значения параметра до увеличения ошибки аппроксимации в 3 раза от наилучшей; при этом нижняя граница для вероятности wr оказывается близкой к 0 и на рисунке не приведена. Следует отметить, что слабая зависимость формы расчетных кривых затухания от wr позволяет также выполнить аппроксимацию экспериментальных данных более простым соотношением, полученным ранее в [8] без учета диффузии экситонов; однако, несмотря на численное отличие результатов определения параметра wr в 2 раза, характер зависимостей расчетных параметров от уровня легирования и в этом случае аналогичен приведенным на рис. 5.

4. Обсуждение Рассмотрим изменение рекомбинационных характеристик сверхрешеток второго рода при изменении концентрации примесей в -слоях. Как известно, в сверхРис. 5. Зависимости концентрации центров безызлучательной решетках второго рода GaAs/AlAs электроны и дыррекомбинации nd и среднего темпа излучательной рекомбики разделены как в координатном пространстве, так и нации экситонов wr от уровня легирования. Относительно в пространстве квазиимпульса: электроны находятся в определения показанных погрешностей см. в тексте.

X-долине AlAs, а дырки в -долине GaAs. Поэтому для рекомбинации экситона электрону необходимо перейти в соседний слой, рассеяв при этом большой квазиимпульс, При этом экситоны, диффундируя между локализован- /a, где — постоянная Планка, a — постоянная ными состояниями, могут быть захвачены хаотически решетки. В отсутствие иррегулярностей сверхрешетрасположенными центрами безызлучательной рекомби- ки (фононов, примесей, шероховатостей гетерогранинации и рекомбинировать на них. В силу независимости цы, центров безызлучательной рекомбинации) рассеяние энергии локализации экситонов на шероховатостях (Ea) квазиимпульса Xz -экситона может происходить только на от уровня легирования в расчете коэффициент диффу- границах раздела. При этом вероятность излучательной зии DE считался постоянным и равным 0.002 см2/с [6].

рекомбинации экситонов w является константой, а затуПоскольку параметр L в зависимости для I(t) стоит хание концентрации экситонов N(t) и интенсивности люпод логарифмом, выбор значения L важен только для минесценции I(t) носит экспоненциальный характер [4]:

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.