WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 5 УДК 621.315.592 Нелинейная фотолюминесценция варизонных твердых растворов AlxGa1-xAs © В.Ф. Ковaленко, А.Ю. Миронченко, С.В. Шутов Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 73008 Херсон, Украина (Получена 2 июля 2001 г. Принята к печати 13 сентября 2001 г.) Изучены зависимости интенсивности фотолюминесценции нелегированных и легированных варизонных твердых растворов AlxGa1-x As (x 0.36) от уровня возбуждения J (1019 J 1022 квант/см2c) при различных значениях встроенного электрического поля E = e-1Eg (85 E 700 В/см). Установлено, что при ускоряющем действии поля E зависимость интенсивности краевой фотолюминесценции (I) от уровня возбуждения (J) имеет сложный характер. Нелинейность зависимости I(J) объясняется вкладом двухфотонного поглощения фотолюминесцентного излучения при его переизлучении. Существует оптимальный диапазон значений E (120 E 200 В/см), обеспечивающих наибольший вклад двухфотонного поглощения в процесс переизлучения в нелегированных твердых растворах.

Излучательные характеристики варизонных полупро- GaAs. Состав слоев изменялся в направлении оси роводников при ускоряющем действии встроенного элек- ста — на границе раздела слой–подложка содержание трического поля E = e-1Eg (Eg — градиент ширины алюминия было максимальным (x 0.36) и уменьшазапрещенной зоны) в общем случае определяются дрей- лось к поверхности, где x = 0. Состав слоев измефом неравновесных носителей заряда (ННЗ) в этомполе нялся линейно по толщине на участке, примыкающем и фотонным дрейфом ННЗ, связанным с переизлучением к подложке и составляющем приблизительно 80% общей рекомбинационного излучения. Вклад этих факторов толщины d. Значения Eg для разных нелегированных в формирование люминесцентных свойств определяется структур изменялись в пределах 85 Eg 700 эВ/см.

параметрами полупроводников [1]. Так, при малых значе- Увеличение Eg обеспечивалось уменьшением толщиниях E преобладающим является фотонный дрейф ННЗ, ны выращиваемых слоев при одном и том же содержаобусловливающий формирование как спектрального со- нии Al у границы раздела подложка–слой, которая в исстава, так и интенсивности излучательной рекомбина- следованных твердых растворах изменялась в пределах ции [2–5]. Люминесцентные свойства полупроводников 16 d 70 мкм. В легированных слоях значения Eg со средними и большими значениями Eg, в которых составляли 150–170 эВ/см.

доминирующим в процессе переноса ННЗ является их Фотолюминесценция (ФЛ) при 77 и 300 K возбуждадрейф в поле E, определяются совместным действием лась с широкозонной и узкозонной сторон эпитаксиальmax min дрейфа ННЗ в поле E и переизлучения. Исследованию ного слоя, т. е. со стороны Eg и Eg, как показано вклада первого фактора в формированиe спектрального на вставке рис. 1, с использованием наклонных шлифов состава излучения в таких полупроводниках уделено структуры [1] световым зондом диаметром 30 мкм большое внимание [1,6,7]. Влияние же переизлучения аргонового лазера ( = 0.488-0.514 мкм). Интенсивна их люминесцентные характеристики изучено недо- ность возбуждения фотолюминесценции J изменялась статочно. Известно [8,9], что при дрейфе ННЗ в поле E в пределах 1019 J 1022 квант/см2c. Спектры ФЛ переизлучение приводит к увеличению внешнего кванто- регистрировались с помощью германиевого фотодиода вого выхода люминесценции. Однако механизм процесса по стандартной методике [1]. Внешний квантовый выпереизлучения в таких полупроводниках практически не ход излучения оценивался с помощью калиброванного был исследован. кремниевого фотодиода. Эффективная длина смещения В настоящей работе рассмотрены особенности пере- ННЗ l+ определялась по наклону низкоэнергетического излучения в варизонных твердых растворах Alx Ga1-xAs спада полосы краевого излучения [1].

при дрейфовом механизме переноса ННЗ в поле E, установленные из измерения зависимости их спектров 2. Экспериментальные результаты фотолюминесценции от уровня возбуждения.

Спектры ФЛ нелегированных твердых растворов содержали только полосу краевого излучения. При воз1. Методика эксперимента max буждении ФЛ со стороны Eg, т. е. при ускоряющем Исследовались нелегированные (n 1016 см-3) и действии поля E, форма спектров ФЛ зависела от легированные теллуром (n 1018 см-3) эпитаксиальные величины этого поля и уровня возбуждения J. Для слои твердых растворов Alx Ga1-xAs, выращенные из краевого излучения зависимость его формы от E при ограниченного объема раствора–расплава на подложках низких уровнях возбуждения ФЛ (J 2·1020 квант/см2с) 1 514 В.Ф. Ковaленко, А.Ю. Миронченко, С.В. Шутов С увеличением J имеет место возрастание интегральной интенсивности краевой полосы ФЛ I+ при max освещении со стороны Eg, описываемое степенной зависимостью I+ = CJm, (1) где C коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрию эксперимента, угловое распределение интенсивности ФЛ, показатель преломления полупроводника, взаимодействие возбуждающего света с полупроводником, скорость рекомбинации, внутренний квантовый выход ФЛ, время жизни ННЗ.

При низких и средних значениях J 1021 квант/см2с увеличение интенсивности I+ сверхлинейно (m = m > 1). Степень сверхлинейности зависимости (1), т. е. величина показателя m, пропорциональна сдвигу коротковолнового максимума полосы краевого излучения и с ростом E она проходит через максимум (рис. 3). В спектрах ФЛ слоев с наиболее существенным смещением hm параметр m увеличивается с ростом J, достигая при средних уровнях возбуждения Рис. 1. Изменение формы спектра краевой фотолюминесценции нелегированного эпитаксиального слоя с eE = Eg = 160 эВ/см в зависимости от уровня возбуждения при возбужmax min дении со стороны Eg (1–4) и со стороны Eg (1, 4 ) при T = 300 K. J, квант/см2c: 1, 1 —1019; 2 —1020; 3 —2.5 · 1021;

4, 4 — 1022. На вставке представлены изменение ширины запрещенной зоны по толщине эпитаксиальных слоев для нелегированных твердых растворов и схема эксперимента. Стрелки — направления возбуждения фотолюминесценции. Нумерация стрелок соответствует нумерации спектров (1-4, 1, 4 ).

рассмотрена нами в работе [6]. На рис. 1 показано изменение формы полосы краевого излучения одного из нелегированных слоев в зависимости от уровня max возбуждения при освещении как со стороны Eg (I+, min кривые 1-4), так и со стороны Eg (I-, кривые 1, 4 ).

Видно, что с увеличением J происходит расширение полосы в область низких энергий и смещение области излучательной рекомбинации из широкозонного в узкозонные участки слоя, которое проявляется в сдвиге коротковолнового максимума hm в длинноволновую область. Изменение формы спектра обусловливается увеличением эффективной длины смещения ННЗ l+ Рис. 2. Зависимости эффективной длины смещения неравнос ростом J. Величина сдвига hm в коротковолновую весных носителей заряда (1–3) и положения коротковолнового область пропорциональна увеличению l+. Значения этих максимума в спектрах фотолюминесценции (1 –3 ) для нелехарактеристик зависят также от величины встроенного гированных эпитаксиальных слоев от уровня возбуждения при поля E (рис. 2). При высоких уровнях возбуждения T = 300 K. Значения встроенного поля E, В/см: 1, 1 — 89;

величина l+ в слоях с E 160-260 В/см максимальна. 2, 2 — 160; 3, 3 — 256.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Нелинейная фотолюминесценция варизонных твердых растворов Alx Ga1-xAs max При возбуждении со стороны Eg происходит увеличение внешнего квантового выхода краевого излучения ex c ростом уровня возбуждения от 0.5–1% при J = 1019 квант/см2с до 3–10% при J 1022 квант/см2с в зависимости от E. Наибольшие значения ex наблюдаются в слоях с наименьшими величинами поля и уменьшаются с увеличением E.

На рис. 5 представлены зависимости интегральной интенсивности краевого (I+) и примесного (I+ ) излуче im ния от J в спектрах ФЛ легированных слоев. Видно, что зависимости I+ (J) также нелинейно зависят от уровня im возбуждения — из сублинейных при J 1020 квант/см2с с увеличением J они переходят в сверхлинейные с увеличивающимся показателем степени m. Это изменение I+ (J) сопровождается смещением максимума примес im im ной полосы hm в длинноволновую область спектра.

При J > 5 · 1020 квант/см2с зависимость I+ (J) снова im становится сублинейной. Этому ее участку соответствуim ет область стабилизации положения hm (рис. 5).

Рис. 3. Зависимости интегральной интенсивности краевого излучения (1–5), показателя степени m в соотношении (1) от уровня возбуждения (1 –3 ), а также максимального значения показателя степени mmax от величины встроенного поля (6) в нелегированных твердых растворах при возбуждении со max min стороны Eg (1–3, 1 –3, 6) и Eg (4, 5) при T = 300 K.

E, В/см: 1, 1 — 89; 2, 2 — 160; 3, 3 — 700; 4 — 160;

5 — > 200.

(1020 J 1021 квант/см2с) значений m > 2. При этом степень сверхлинейности (т. е. величина m) изменяется с интенсивностью I+ при различных длинах волн одной и той же полосы излучения. В области коротковолнового максимума она минимальна и Рис. 4. Спектральные зависимости интенсивности фотолюминесценции I+ от уровня возбуждения J в различных участках возрастает с увеличением длины волны излучения, полосы краевой фотолюминесценции, как показано на вставке достигая максимальных значений (m 4) для (интенсивности I+, I+ и I+ соответствуют их зависимостям 1 2 низкоэнергетического максимума (см. вставку на рис. 4).

от J, представленным кривыми 1–3), для нелегированного слоя При высоких уровнях возбуждения твердого раствора с E 180 В/см и зависимость максимально(J > 1021 квант/см2с) зависимость (1) становится субго показателя степени mmax в соотношении (1) от энергии из линейной (m < 1), причем с увеличением J, E и длины лучаемых фотонов в полосе краевой фотолюминесценции (4) волны излучения показатель m уменьшается (рис. 3). при T = 300 K.

1 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 516 В.Ф. Ковaленко, А.Ю. Миронченко, С.В. Шутов С увеличением J как форма примесной полосы изim лучения, так и зависимость hm от J не изменяются, а интенсивность I- линейно возрастает с уровнем возбуждения при J < 1020 квант/см2с и сублинейно — при более высоких J (рис. 5).

3. Обсуждение результатов При однофотонном поглощении возбуждающего света зависимость (1) может быть линейной, когда n < n( n и n0 — концентрации ННЗ и основных равновесных носителей заряда соответственно), при этом показатель степени m(1) = 1 [индекс (1) указывает на однофотонное поглощение], либо квадратичной, когда n > n0, при этом m(1) = 2 [10]. При двухфотонном поглощении интенсивность межзонной ФЛ IPL также является степенной функцией уровня возбуждения J, но с показателем степени m(2) [индекс (2) указывает на двухфотонное поглощение] в 2 раза большим, чем при однофотонном поглощении [11]:

(2) (1) IPL = C(2)Jm = C(2)J2m, (2) т. е. при n < n0 зависимость (2) будет квадратичной.

Создание же концентрации ННЗ n > n0 обусловит зависимость IPL от J в 4-й степени.

Таким образом, при реализации только однофотонного или только двухфотонного возбуждений и при выполнении условия n < n0 показатель степени m Рис. 5. Зависимости интегральной интенсивности краевой в зависимости (1) будет принимать значения 1 или 2, фотолюминесценции (1), примесного излучения (2, 3), а така при выполнении условия n > n0 — значения 2 или же энергии максимума полосы примесной фотолюминесценсоответственно. Очевидно, что реализация одно- и двухции (4) от уровня возбуждения для одного из легированфотонного механизмов возбуждения ФЛ одновременно ных слоев с E = 154 В/см при возбуждении со стороны max min (при n < n0 и n > n0) обусловит непрерывный ряд Eg (1, 2, 4) и Eg (3) при T = 77 K. На вставке представлена значений m в интервале 1 m 4 в зависимости от форма спектра этого слоя твердого раствора при возбуждении max со стороны Eg (J = 1021 квант/см2c). вклада того или иного механизма и уровня возбуждения.

Наличие в зависимостях I+(J) и I+(J) при знаков, характерных для двухфотонного возбуждения ФЛ — сверхлинейности и „сверхквадратичноmin При возбуждении ФЛ со стороны Eg, т. е. при сти“ с различными значениями показателя степени m тормозящем действии поля, форма полосы краевой ФЛ (1 < m 2.5; 1 < m 4), — позволяет сделать слетипична для прямозонных полупроводников постояндующее утверждение. При возбуждении варизонных max ного состава (рис. 1, кривые 1, 4 ). Положение ее твердых растворов AlxGa1-x As со стороны Eg в измаксимума интенсивности (I-) определяется составом меряемую интенсивность краевой ФЛ дает вклад излувозбуждаемой области твердого раствора и не зависит чение, возникающее в результате рекомбинации ННЗ, от уровня возбуждения. Форма полосы не изменяетгенерированных как при однофотонном приповерхностся. Интегральная интенсивность ФЛ I- в нелегироном поглощении возбуждающего лазерного света, так ванных слоях c E < 200 В/см возрастает линейно и при одно- и двухфотонном поглощениях в объеме (m = 1) при низких и средних уровнях возбуждения кристалла в процессе многократного переизлучения.

и сверхлинейно (m 1.8) при высоких значениях J О роли переизлучения в формировании интенсивности (J 2 · 1021 квант/см2с). В нелегированных слоях ФЛ свидетельствуют значения внешнего квантового выс E 200 В/см и в легированных слоях линейная зависи- хода излучения ex при средних и высоких уровнях мость I-(J) имеет место во всем интервале изменения J возбуждения, существенно превышающие максимальное (рис. 3). Внешний квантовый выход краевой ФЛ при теоретическое значение ex 1.5% для однородных этом остается постоянным и не превышает 0.3–0.8% для (гомозонных) полупроводников AIIIBV при внутреннем различных слоев твердых растворов. квантовом выходе излучения in = 100% и выводе Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Нелинейная фотолюминесценция варизонных твердых растворов Alx Ga1-xAs излучения через плоскую полированную поверхность с выходом на насыщение в слоях с большими значенив отсутствие переизлучения. ями E при высоких уровнях возбуждения. В результате Совместное влияние: дрейфа ННЗ во встроенном с ростом E уменьшается доля ННЗ, рекомбинирующих поле E; координатной зависимости вероятности излу- излучательно в объеме, снижается вклад переизлучения чательной рекомбинации, обусловленной полем; расши- в генерацию ННЗ, затрудняется или становится невозрения области возбуждения с ростом J, а также пере- можным выполнение условия n > n0 и, следовательизлучения, приводят к тому, что в различных участках но, уменьшается степень сверхлинейности зависимостей слоя твердого раствора могут иметь место различные I+(J) и I+(J).

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.