WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 5 Коэффициенты захвата свободных экситонов мелкими акцепторами и донорами в арсениде галлия ¶ ¶¶ © К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, О.Н. Стрильчук Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 5 августа 2003 г. Принята к печати 25 сентября 2003 г.) Проведен анализ спектров (T = 4.2K) экситонной люминесценции полуизолирующих кристаллов GaAs с различными концентрациями мелких акцепторов (С) и доноров (Si). Это позволило найти при температуре жидкого гелия коэффициенты захвата свободных экситонов мелкими нейтральными акцепторами [bA X =(4 ± 2) · 10-8 см3/с] и донорами [bD X =(1.5 ± 0.8) · 10-7 см3/с], а также оценить коэффициент 0 0 захвата свободных экситонов мелкими ионизированными донорами (bD+ bD X ).

0 X 1. Введение ванных примесных центров составляют NA0 = ND0 = 0, + + ND = ND в темноте и NA0 NA, а ND0 ND ND Известно, что в полупроводниках происходят эфпри освещении.1 Интенсивности полос люминесценфективные процессы связывания свободных экситоции, обусловленных аннигиляцией экситонно-примеснов X (их концентрацих nX) мелкими нейтральны+ ных комплексов A0X (IA0 ), D+X (ID X) и D0X (ID0 ), X X ми акцепторами A0, мелкими ионизированными (D+) а также свободных экситонов X (IX), определяются и нейтральными (D0) донорами (далее — нейтральследующими соотношениями [4]:

ные акцепторы, ионизированные и нейтральные до+ IA0 = bA0 NA0nX bA0 NAnX, (1) норы, их концентрации NA0, ND и ND0 соответX X X ственно), приводящие к образованию в них экси+ + + ID X = bD XND nX, (2) тонно-примесных комплексов A0X ( нейтральный акцептор –экситон), D+X ( ионизированный донор –экситон) ID0 = bD0 ND0nX bD0 NDnX, (3) X X X и D0X ( нейтральный донор –экситон). Важными харакIX = XnX, (4) теристиками скорости протекания процессов связывания являются коэффициенты захвата свободных экси- где X — вероятность излучательной аннигиляции тонов нейтральными акцепторами bA0, ионизированны- свободного экситона; X = 2.5 · 108 с-1 при 4.2 K, X + ми (bD X) и нейтральными (bD0 ) донорами. Однако как следует из времени затухания люминесценции, X в литературе данные об этих величинах практически обусловленной аннигиляцией свободных экситонов отсутствуют. Лишь в работе [1] проведено теоретическое X = 1/X 4 нс при гелиевой температуре [6].2 При рассмотрение процесса связывания свободных экситонов записи (1)–(4) предполагалось, что, во-первых, коннейтральными примесями в полупроводниках (к сожале- центрации акцепторов и доноров, связавших экситоны, нию, выражение для bA0 в ней не приведено), а в рабоневелики, и, во-вторых, аннигиляция свободных и свяX тах [2,3] сделаны попытки оценить коэффициент захвата занных экситонов происходит в основном с излучением свободных экситонов мелкими нейтральными и ионифотонов. Как видно из соотношений (1)–(4), величины зированными ловушками в CdS: bA0 = 3 · 10-10 см3/с + X bA0, bD X и bD0 могут быть найдены из выражений X X + либо 3 · 10-7 см3/с, согласно [2], и bD X = 6 · 10-8 см3/с, + IA0 X ID X X X bD0 = 6 · 10-9 см3/с, согласно [3]. В настоящей рабоX + bA0 =, bD =, X + IX NA X IX ND те на основе анализа при T = 4.2 K спектров экситонной люминесценции полуизолирующих кристаллов ID0 X X GaAs (при низких температурах они являются фотопро- bD0 =, (5) X IX ND водниками [4]) с различными концентрациями мелких если мы используем измеряемые на опыте относительакцепторов NA и доноров ND мы найдем величины ные интенсивности полос экситонной люминесценции + коэффициентов bA0 и bD0 и оценим коэффициент bD X.

X X + IA0 /IX, ID X/IX и ID0 /IX и концентрации мелких X X акцепторов и доноров, а также известное значение 2. Метод определения коэффициентов вероятности X.

+ bA0, bD X и bD0 X X Приведенные соотношения для NA0, ND+ и ND0 в освещенном фотопроводнике справедливы для изолированных акцепторов и доОчевидно, что проводимость фотопроводников опре- норов [4]. С ними в основном и связываются свободные экситоны в полуизолирующем GaAs [5].

деляется неравновесными электронами и дырками и Заметим, что если свободные экситоны при низких температурах при T = 4.2 K концентрации нейтральных или ионизирораспределены по Максвеллу, то теоретически X = 3 · 109 с-1 [7].

¶ E-mail: ria@isp.kiev.ua Отличие экспериментальных и теоретичеких значений X свидетельFax: (044)2653337 ствуют о том, что при низких температурах свободные экситоны ¶¶ E-mail: strilchuk@isp.kiev.ua распределены не по Максвеллу.

4 564 К.Д. Глинчук, Н.М. Литовченко, О.Н. Стрильчук 3. Эксперимент В опытах использовались полуизолирующие кристаллы GaAs. Их темновая проводимость определялась ионизцией частично скомпенсированных глубоких доноров–дефектов EL2. Их концентрация NEL 2 · 1016 см-3 > NA - ND > 0, удельное сопротивление 4 · 107 Ом · см при T = 300 K. При освещении (с интенсивностью L) и T = 4.2 K она определялась фотоэлектронами и фотодырками [4]. Изучались при T = 4.2 K спектры экситонной люминесценции полуизолирующих кристаллов арсенида галлия с известными (с точностью ±30%) концентрациями мелких акцепторов (C) NA и доноров (Si) ND. В них наблюдались (после разложения на индивидуальные компоненты с точностью ±20%) полосы люминесценции, обусловленные аннигиляцией связанных экситонов A0X (пик люминесценции hm = 1.512 эВ), D+X (hm = 1.5133 В), D0X (hm = 1.5141 эВ) и свободных экситонов X (hm = 1.5153 эВ) (см. рис. 1). Определялись при различных концентрациях мелких акцепторов и + доноров интенсивности IA0, ID X, ID0 и IX. При испольX X зуемых интенсиновностях возбуждения L интенсивности + полос IA0, ID X, ID0 и IX квадратично возрастали по X X мере увеличения L [4,5]:

+ IA0, ID X, ID0, IX L2.

X X Как и ожидалось [4], нормированная (обусловленная Рис. 2. Зависимости IA X/IX = f (NA)(a) и ID X/IX = f (ND)(b) 0 аннигиляцией связанных экситонов A0X) интенв полуизолирующем арсениде галлия при T = 4.2K. Прясивность IA0 /IX изменялась пропорционально NA, а X мые линии — вытекающие из соотношений (1), (3) нормированная (обусловленная аннигиляцией связанных и (4) теоретические зависимости IA X/IX =(bA X/X 0 0 )NA (a) экситонов D0X) интенсивность ID0 /IX изменялась X и ID /IX =(bD X/X 0 0 )ND (b), где bA X = 4 · 10-8 см3/c, пропорционально ND, т. е. IA0 /IX NA и ID0 /IX ND bD =X · 10-7 см3/c, а X = 3 · 108 с-1. Среднее отклонение X X 0 1.X (см. рис. 2).

экспериментальных точек от теоретических прямых линий показывает точность определения коэффициентов bA X и bD X.

0 4. Результаты и обсуждение По соотношениям (5) были найдены следующие величины коэффициентов захвата свободных экситонов нейтральными акцепторами, ионизированными и нейтральными донорами при T = 4.2K:

bA0 =(4 ± 2) · 10-8 см3/c, X + bD0 =(1.5 ± 0.8) · 10-7 см3/c, bD X bD0.

X X + Оценка величины bD X сделана из наблюдаемых + + на опыте соотношений ND ND и ID X/ID0 = X + + = bD XND /bD0 ND0 1. Следовательно, в арсениде галРис. 1. Полосы люминесценции, обусловленные связанными X + (A0X, D+X, D0X) и свободными (X) экситонами в полуизоли- лия коэффициенты bA0, bD X и bD0 связаны соотношеX X + рующем арсениде галлия при T = 4.2K. нием bA0 < bD0 bD X.

X X Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Коэффициенты захвата свободных экситонов мелкими акцепторами и донорами в арсениде галлия Приведенные соотношения между этими коффициен- Coefficients of capture of free excitons тами можно объяснить следующим образом. Образоваby shallow acceptors and donors ние связанных экситонов A0X, D+X и D0X происходит in gallium arsenide вследствие притяжения свободных экситонов к акцептоK.D. Glinchuk, N.M. Litovchenko, O.N. Strilchuk рам и донорам. Притяжение обусловлено диполь-дипольным взаимодействием (это относится к образованию Lashkaryov Institute of Semiconductors Physics, комплексов A0X и D0X) и заряд-дипольным взаимодейNational Academy of Sciences of Ukraine, ствием (это относится к образованию комплексов D+X.

03028 Kiev, Ukraine Очевидно, что появление диполей связано со взаимной поляризацией свободных экситонов и нейтральных ак

Abstract

An analysis of the 4.2 K exciton luminescence spectra цепторов или доноров. Несомненно, дипольный момент of semi-insulating GaAs crystals with different shallow accepнейтральных акцепторов меньше, чем соответствующий tors (C) and donors (Si) concentrations is given. As a reу нейтральных доноров. Это следует из сравнения боsult, the 4.2 K capture coefficients of free excitons by shalровских радиусов дырок, связанных с акцепторами, и low neutral acceptors [bA X =(4 ± 2) · 10-8 cm3/s] and donors электронов, связанных с донорами. Дипольный момент [bD X =(1.5 ± 0.8) · 10-7 cm3/s] are found and also an estimate ионизированных доноров существенно больше, чем нейof the capture coefficient of free excitons by ionized shallow donors тральных.

has been made [bD+ bD X].

X + Полученные значения коэффициентов bA0, bD X X и bD0 в GaAs достаточно велики. Это свидетельствует X о весьма высокой эффективности связывания свободных экситонов мелкими акцепторами и донорами в арсениде галлия.

5. Заключение Приведенные экспериментальные значения коэффициентов захвата свободных экситонов нейтральными акцепторами и ионизированными и нейтральными донорами в арсениде галлия важны для понимания широко изучаемых в настоящее время закономерностей образования различных экситонно-примесных комплексов в интерметаллических полупроводниках.

Список литературы [1] А.А. Липник. ФТТ, 3, 2322 (1961).

[2] D. Magde, H. Mahr. Phys. Rev. B, 2, 4098 (1970).

[3] В.Л. Броуде, И.И. Тартаковский, В.Б. Тимофеев. ФТТ, 14, 3531 (1972).

[4] К.Д. Глинчук, А.В. Прохорович. ФТП, 36, 519 (2002).

[5] K.D. Glinchuk, A.V. Prokhorovich. Semicond. Phys., Quant.

Electron. and Optoelectron., 5, 353 (2002).

[6] G.W. Hooft, W.A. Poel, L.W. Molenkamp, C.T. Foxon. Phys.

Rev. B, 35, 8281 (1987).

[7] А.П. Леванюк, В.В. Осипов. УФН, 133, 427 (1981).

Редактор Т.А. Полянская Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып.




© 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.