WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 5 О природе полосы люминесценции с hm = 1.5133 эВ в арсениде галлия © К.Д. Глинчук¶, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 14 сентября 2000 г. Принята к печати 21 ноября 2000 г.) В полуизолирующих кристаллах GaAs проведено при 4.2 K сравнительное изучение зависимостей интенсивностей полос люминесценции с положениями максимумов hm = 1.5133, 1.5141 и 1.5153 эВ от уровня возбуждения. Анализ наблюдаемых закономерностей (совпадение вида изучаемых зависимостей интенсивность люминесценции уровень возбуждения) показал, что в полуизолирующем арсениде галлия полоса люминесценции с hm = 1.5133 эВ при 4.2 K обусловлена аннигиляцией экситонно-примесных комплексов D+X (экситонов X, связанных с мелкими ионизированными донорами D+).

1. Введение. Постановка задачи несценции с hm = 1.5133 эВ [3], так и влияния на нее электрического поля [4], а также на наблюдаемом гашеИзвестно, что в спектре краевой люминесценции арсе- нии ее интенсивности при воздействии последнего [4].

нида галлия при 4.2 K наблюдаются интенсивные полосы Первоначально предполагалось, что результаты опытов люминесценции с положениями максимумов излучения по резонансному возбуждению полосы люминесценции hm = 1.5133, 1.5141 и 1.5153 эВ (см., например, [1–9]). с hm = 1.5133 эВ в арсениде галлия также свидеПрирода полос люминесценции с hm = 1.5153, тельствуют о том, что источником рассматриваемого 1.5141 эВ надежно установлена — они обусловлены, рекомбинационного излучения являются пары D0h [3].

соответственно, излучательной аннигиляцией свободных Однако проведенный в [2] детальный анализ результатов экситонов X (интенсивность излучения IX, реакция работы [3] и своих аналогичных данных показал, что расX h), экситонно-примесных комплексов: мелкий смотрение спектра возбуждения полосы люминесценции нейтральный донор D0 - экситон X (далее: связанные с hm = 1.5133 эВ не дает возможности отдать предэкситоны D0X, интенсивность индуцируемого ими излу- почтение той или иной модели ее появления (они могут чения ID0, реакция D0X D0+h) [1–4]. В то же время быть объяснены как излучательной аннигиляцией связанX природа полосы люминесценции с hm = 1.5133 эВ (ее ных экситонов D+X, так и пар D0h). Авторы [3,6] также интенсивность I1.5133) неоднозначна. Так, в работах [1,2,5] считали, что наблюдаемый ими вид зависимостей I1.5133, полосу излучения с hm = 1.5133 эВ связывают с излу- ID0 от освещенности L подтверждает, что источником X чательной аннигиляцией экситонно-примесных комплек- излучения с hm = 1.5133 эВ являются пары D0h. Однасов мелкий ионизированный донор D+ - экситон X ко сравнение приведенных ими зависимостей I1.5133(L) (далее: связанные экситоны D+X, интенсивность обусло- и ID0 (L) без их детального анализа (в работах [3,6] X + вленного ими излучения ID X, реакция D+X D+ +h). он не проведен) не может дать однозначного ответа об Основанием для этого явилось совпадение экспери- источнике излучения с hm = 1.5133 эВ — связанные ментальных и рассчитанных теоретических значений экситоны D+X либо пары D0h (см. далее).энергии квантов света, испускаемых при излучательной Из изложенного выше следует, что значительный аннигиляции связанных экситонов D+X [1], увеличе- интерес представляет дальнейшее изучение явлений и ние интенсивности обсуждаемой полосы люминесцен- закономерностей, позволяющих получить аргументы в ции при изменении типа проводимости кристалла с n пользу той либо иной природы полосы люминесценции на p, т. е. при возрастании концентрации ионизирован- с hm = 1.5133 эВ в арсениде галлия.

+ ных доноров ND [1,2], а также анализ наблюдаемых В настоящей работе мы проведем при 4.2 K детальсмещений положений ее максимума в магнитном по- ный сопоставительный анализ зависимостей интенсивностей полос люминесценции с hm = 1.5133, 1.ле [2,5]. Однако в работах [3,4,6] полосу люминесценции с hm = 1.5133 эВ связывают с рекомбинацией сво- и 1.5153 эВ от уровня возбуждения в полуизолирующих кристаллах арсенида галлия. Мы покажем, что наблюбодных дырок h на мелких нейтральных донорах D0, т. е. с излучательной аннигиляцией пар D0h (интен- даемые в них люкс-яркостные характеристики краевых полос люминесценции свидетельствуют о том, что излусивность обусловленного ими излучения ID0, реакция h чение с hm = 1.5133 эВ в арсениде галлия обусловлено D0h D+ + h). Это утверждение основано на аннигиляцией связанных экситонов D+X.

том, что энергия термической диссоциации 1.5133 эВ излучающих центров близка к энергии ионизации до- Для проведения детального анализа люкс-яркостных характерисноров D0 [1,2,6], на анализе как формы полосы люмитик излучения I = (L) необходимо знать соотношение между концентрациями неравновесных и равновесных носителей тока, а также ¶ E-mail: ria@isp.kiev.ua вид зависимостей концентраций избыточных электронов и дырок, иониFax: (044) 265–33–37 зированных и нейтральных доноров от освещенности L и координаты y.

538 К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук 2. Методика эксперимента и характеристики исследуемых кристаллов GaAs Полуизолирующие кристаллы GaAs выращивались методом Чохральского в тиглях из пиролитического нитрида бора с герметизацией жидким флюсом B2O3 при высоком давлении. Их удельное сопротивление 108 Ом · см при T = 300 K и при T 200 K, равновесная концентрация электронов в них n0 107 см-3 при T = 300 K и n0 при T 200 K, а их подвижность µn 6000 см2/(В · с) при 300 K, равновесная концентрация дырок p0 n0.

Темновая проводимость кристаллов GaAs определялась ионизацией глубоких доноров EL2 (антиструктурных Рис. 1. Спектр краевой люминесценции полуизолирующего дефектов AsGa, энергетическое положение создаваемых GaAs при 4.2 K. Пунктирными линиями выделены изучаемые ими уровней EL2 0.75 эВ, а их концентрация полосы люминесценции; L = 2.5 · 1018 1/(см2· с).

NEL2 1016 см-3), частично скомпенсированных остаточными мелкими акцепторами (атомами углерода, их концентрация NC 3 · 1015 см-3), и донорами (атомами в них линейно возрастали с увеличениями освещеннокремния, их концентрация NSi 1015 см-3) [10,11].

сти L (N, P L). Из этого следует, что концентрации Исследовалась люминесценция, возбуждаемая сильноn(y), p(y) линейно повышались с L и экспоненциально поглощаемым излучением He–Ne-лазера (площадь свепонижались с y, т. е. n(y, L), p(y, L) L exp(-ay), где тового пятна s 10-2 см2, направление распростраa = (ld, 1/k) = (y, L). Величины n и p определя нения света y, энергия квантов 1.96 эВ, коэффициента лись скоростью линейной рекомбинации неравновесных поглощения k = 2.5 · 104 см-1). Перед измерениносителей тока на глубоких центрах, т. е. лишь небольем люминесценции кристаллы (их типичные размеры шая часть генерируемых лазером электронов и дырок 10.30.2см) обрабатывались в полирующем травителе связывалась в экситоны и, следовательно, рекомбини3H2SO3 : 1H2O2 : 1H2O. Анализ спектров люминесценровала через экситонные состояния (суммарная интенции (энергия испускаемых квантов h) проводился на сивность экситонной люминесценции была значительно спектрометре МДР-23 с разрешением не хуже 0.2 мэВ.

ниже L).

Вид спектров люминесценции (положение максимуМетодом, позволяющим провести разграничение размов hm, полуширины w и соотношение интенсивностей личных предположений о возможной природе центров, полос люминесценции в них) практически (в пределах обусловливающих появление полосы люминесценции точности их измерений: ±0.1мэВ для hm, w и ±10% с hm = 1.5133 эВ, явился сравнительный анализ задля I) не зависели от L.

висимостей интенсивностей указанной и иных полос Интенсивности изучаемых полос люминесценции I экситонной люминесценции от интенсивности возбужде(они, очевидно, в значительной степени зависели от ния L. Типичный спектр люминесценции для одноконцентраций избыточных электронов n и дырок p) го из исследуемых полуизолирующих кристаллов GaAs определялись процессами, происходящими в объеме кри(в нем выделены лишь изучаемые полосы люминесценсталла (длина диффузии избыточных носителей тока ции с hm = 1.5133, 1.5141 и 1.5153 эВ, они являются ld 1/k). Область свечения была локализована вблизи доминирующими) показан на рис. 1.

поверхности кристалла (ее примерный размер в направлении y ld + 1/k 10-4 см существенно меньше соответствующего размера кристалла d 0.2см).

3. Результаты и обсуждение Измерение спектральных характеристик кристаллов проводилось при температуре T = 4.2K и интенсив- На рис. 2 приведены наблюдаемые в полуизолирующем GaAs при 4.2 K зависимости интенсивностей полос ностях освещения L от 1017 до 1019 1/(см2 · с). При люминесценции, обусловленных аннигиляцией связануказанной температуре и используемых интенсивностях возбуждения проводимость полуизолирующих кристал- ных (D0X) и свободных (X) экситонов, а также полосы люминесценции с hm = 1.5133 эВ, от уровня возбужделов GaAs определялась избыточными электронами и ния. Как видно, интенсивности ID0, IX и I1.5133 одинадырками (n, p n0 + p0). Полные количества избыX ково (пропорционально L2) возрастают при повышении точных электронов N = s ndy идырок P = s pdy интенсивности освещения.

0 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. О природе полосы люминесценции с hm = 1.5133 эВ в арсениде галлия np ne =, (4) + b + ND + NDND — концентрация доноров, c+ — коэффициент захвата n донорами электронов; — коэффициент связывания электронно-дырочной пары в экситон.Если n(y, L), p(y, L) L exp(-ay) (это соотношение реализуется на опыте, см. выше; оно имеет место вследствие того, что избыточные электроны и дырки рекомбинируют по линейному закону преимущественно через глубокие центры, в этом случае очевидно, + что ID0, ID X, ID0, IX L), то, как следует из (3) и (4), h X + ND, ND0 = (y, L), а ne np L2 exp(-2ay).

Тогда интегрирование выражений (1) и (2) приводит к следующему виду зависимостей интенсивностей Рис. 2. Зависимости интенсивностей полос люминесценизучаемых полос люминесценции от интенсивности возции, обусловленных аннигиляцией связанных D0(X) (1) и свободных X (2) экситонов, а также полосы люминесценции буждения:

с hm = 1.5133 эВ (3), от уровня возбуждения в полуизолируID0 L, (5) h ющем GaAs при 4.2 K.

+ ID X, ID0, IX L2. (6) X Из соотношений (5), (6) видно, что если интенсивОбсудим приведенные данные. Очевидно, интенсивность I1.5133, как и интенсивности ID0 и IX, с поX + ности люминесценции ID0, ID X, ID0 и IX зависят от h X вышением L возрастают пропорционально L2 (именно концентраций свободных экситонов ne, дырок p, полоэта зависимость и наблюдается на опыте), то рассма+ жительно заряженных ND и нейтральных ND0 доноров, триваемое излучение с hm = 1.5133 эВ обусловлено вероятности излучательной аннигиляции свободного эк+ аннигиляцией связанных экситонов D+X (I1.5133 = ID X).

ситона b, от коэффициентов захвата дырок донорами c0, p Действительно, если бы это излучение было обусловлеа также свободных экситонов — ионизированными () но рекомбинацией свободных дырок h на нейтральных и нейтральными () донорами. В полубесконечных подонорах D0, то следовало бы ожидать, что интенсивлуизолирующих кристаллах GaAs (их размер в напраность I1.5133 с повышением уровня возбуждения будет влении y намного больше ld + 1/k) соответствующие возрастать пропорционально L.

интенсивности определяются соотношениями [12,13]Таким образом, наблюдаемые в полуизолирующем арсениде галлия люкс-яркостные характеристики полосы люминесценции с положением максимума + + ID0 = c0 ND0pdy, ID X = ND nedy, (1) h p hm = 1.5133 эВ при 4.2 K могут быть объяснены лишь 0 0 в предположении, что указанное излучение обусловлено аннигиляцией связанных экситонов D+X, а не рекомбинацией свободных дырок на нейтральных донорах D0, как это предполагалось ранее [3,6]. Отмеченное ID0 = ND0nedy, IX = b nedy, (2) X является еще одним доказательством доминирующей 0 роли связанных экситонов D+X в формировании полосы люминесценции с hm = 1.5133 эВ в арсениде галлия.

где Приведенные выражения для ND+, ND и ne справедливы c0p c+n p n при n n0, p p0 и низких температурах (отсутствуют процессы + ND0 = ND, ND = ND, (3) c+n + c0p c+n + c0p тепловой ионизации доноров и термического разрушения экситонов).

n n p p При записи выражения для ne предполагается, что: а) имеет место локальное равновесие между электронами, дырками и экситонами [14];

Очевидно, приведенные далее соотношения для интенсивно- б) свободные экситоны могут связываться в основном с донорами стей ID h, ID X, ID X и IX годятся не только для полуизолирующе- (рис. 1). При записи выражений для ND и ND предполагает0 + 0 + го GaAs, но и для кристаллов с любой величиной темновой прово- ся, что заполнение доноров определяется их взаимодействием со димости, если в них уровни возбуждения достаточно велики (n n0 свободными носителями тока; в этом случае ND+, ND = (y, L) и p p0). если n/p = (y, L).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 540 К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, А.В. Прохорович, О.Н. Стрильчук 4. Заключение Наблюдаемая в полуизолирующем арсениде галлия полоса люминесценции с положением максимума излучения hm = 1.5133 эВ при 4.2 K обусловлена аннигиляцией связанных экситонов D+X. Полученные данные о природе полосы люминесценции с hm = 1.5133 эВ в полуизолирующем GaAs важны для понимания физики излучательных электронных переходов в интерметаллических полупроводниках.

Список литературы [1] E.H. Bohards, B. Bebb. Phys. Rev., 176, 993 (1968).

[2] U. Heim, P. Hiesinger. Phys. St. Sol. (b), 66, 461 (1974).

[3] R. Ulbrich, B. Moreth. Sol. St. Commun., 14, 331 (1974).

[4] W. Bludau, E. Wagner. Phys. Rev. B, 13, 5410 (1976).

[5] S. Zeman, G. Lampert. J. Appl. Phys., 70, 4909 (1991).

[6] М.И. Калинин, М.П. Лисица, Ф.В. Моцный. Укр. физ.

журн., 37, 330 (1992).

[7] К.С. Журавлев, А.К. Калагин, Н.Т. Мошегов, А.И. Торопов, Т.С. Шамирзаев, О.А. Шегай. ФТП, 30, 1704 (1996).

[8] D.C. Reynolds, D.C. Look, B. Jogai. Phys. Rev. B, 53, (1996).

[9] V.A. Karasyuk, M.L.W. Trewalt, A.J. SpringThorpe. Phys. St.

Sol. (b), 210, 353 (1998).

[10] А.Н. Георгибиани, И.М. Тигиняну. ФТП, 22, 3 (1988).

[11] К.Д. Глинчук, В.И. Гурошев, А.В. Прохорович. В сб.:

Оптоэлектроника и полупроводниковая техника (Киев, Наук. думка, 1992) вып. 24, с. 66.

[12] Е.Л. Нолле. ФТТ, 9, 122 (1967).

[13] T.M. Schmidt, K. Lischka. Phys. Rev. B, 45, 8989 (1992).

[14] А.В. Саченко, О.В. Снитко. Фотоэффекты в приповерхностных слоях полупроводников (Киев, Наук. думка, 1984) с. 158.

Редактор Т.А. Полянская On the origin of the luminescence band peaked at 1.5133 eV in gallium arsenide K.D. Glinchuk, N.M. Litovchenko, A.V. Prokhorovich, O.N. Strilchuk Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, 03028 Kiev, Ukraine

Abstract

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.