WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 4 Эффективное сечение возбуждения эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии при оптической накачке © М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, П.Е. Пак, Е.И. Теруков, И.Н. Яссиевич Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 5 сентября 2000 г.) Методом измерения времени нарастания фотолюминесцении ионов эрбия при импульсном возбуждении аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием, определены эффективное сечение возбуждения эрбия в матрице аморфного кремния и полное время жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии. Анализ кинетических уравнений, описывающих процессы возбуждения и девозбуждения ионов эрбия в полупроводниковой матрице, позволяет выяснить микроскопический смысл эффективного сечения возбуждения. Показано, что измерение эффективного сечения возбуждения дает возможность оценить концентрацию оптически активных ионов эрбия в матрице аморфного кремния.

Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований № 98-0218246 и 99-02-18079, гранта Миннауки 97-1036, грантов ИНТАС 99-01872 и COPERNICUS 977048-SIER.

Полупроводниковые матрицы, легированные редкозе- 1. Экспериментальные результаты мельными элементами, представляют большой интерес с точки зрения применения в оптоэлектронных устрой- Образцы аморфного гидрогенизированного кремния, ствах. Особое внимание в последнее время привле- легированного эрбием, a-Si : H Er, исследовавшиеся в чено к эрбию в кристаллическом и аморфном крем- работе, были выращены магнетронным распылением металлического эрбия на подложку кристаллического нии, поскольку длина волны 1.54 µm, соответствующая оптическому переходу из первого возбужденного со- кремния в атмосфере силана и аргона. Концентрация 4 4 эрбия в пленке, по данным SIMS, составляла 1019 cm-3, стояния I13/2 в основное состояние I15/2 внутренней концентрация кислорода — 1020 cm-3 (остаточный ки4 f -оболочки иона эрбия Er3+, совпадает с минимумом слород в магнетронной камере).

потерь в кварцевых волоконно-оптических линиях связи.

В качестве источника возбуждения эрбия использовалВ отличие от диэлектрических матриц, где возбуждение ся светодиод с максимумом излучения на длине волны ионов эрбия происходит прямым поглощением фотонов, 0.64 µm, длительностью импульса 5 ms и временем нав полупроводниковых матрицах ионы эрбия возбуждарастания и спада фронтов 1 µs. Излучение фотолюмиются в основном свободными носителями заряда через несценции (ФЛ) анализировалось решеточным монохроОже-процесс [1] или горячими носителями, как это имематором с фокусным расстоянием 820 mm и регистрироет место в случае электролюминесценции эрбия при валось охлаждаемым германиевым фотоприемником по обратном смещении на p-n-переходе [2]. Эффективобычной схеме синхронного детектирования. Для изменость возбуждения эрбия в полупроводниковой матрице рения кинетики ФЛ эрбия использовались цифровой осможно охарактеризовать сечением возбуждения иона циллограф и охлаждаемый германиевый фотоприемник.

эрбия в соответствующей матрице. Сечение возбуждения эрбия было измерено в кристаллическом кремнии для различных механизмов возбуждения, и показано, что оно на несколько порядков превышает сечение возбуждения эрбия прямым поглощением фотонов в диэлектрической матрице [3,4].

В настоящей работе впервые определено эффективное сечение возбуждения эрбия в матрице аморфного кремния при оптическом возбуждении. На основе детального рассмотрения механизма возбуждения выявлен физический смысл сечения возбуждения. Указано на общность понятия эффективного сечения возбуждения при оптическом возбуждении эрбия в других полупроводниковых матрицах. Определена концентрация оптически активного эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии и время жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии. Рис. 1. Спектр фотолюминесценции Si : H Er при T = 90 K.

602 М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, П.Е. Пак, Е.И. Теруков, И.Н. Яссиевич 2. Обсуждение результатов Экспериментальные данные, представленные на рис. 3, как и в случае кристаллического кремния, легированного эрбием [2], хорошо описываются решением кинетического уравнения, учитывающего процессы возбуждения и девозбуждения ионов эрбия, dN N = (NEr - N) -, (1) dt где — сечение возбуждения эрбия, — поток накачивающих фотонов, — полное время жизни иона эрбия в возбужденном состоянии, NEr и N —полная концентрация и концентрация возбужденных ионов эрбия соответственно.

Рис. 2. Экспериментальная (точки) и расчетная (сплошная Решение уравнения (1), описывающего нарастание инлиния) зависимости интенсивности ФЛ эрбия от уровня натенсивности ФЛ эрбия после включения прямоугольного качки для эрбия в матрице аморфного гидрогенизированного импульса возбуждения, имеет вид кремния. T = 90 K.

NEr IEr = 1 - exp - + t, (2) +1 rad где rad — излучательное время жизни иона эрбия в возбужденном состоянии. Из выражения (2) следует, что при включении импульса тока накачивающего светодиода интенсивность эрбиевой люминесценции приближается к стационарному состоянию с характерным временем on, определяемым как 1 = +. (3) on На рис. 3 показана расчетная зависимость 1/on, подогнанная к экспериментальным результатам с параметрами = 1.4 10-14 cm2, = 420 µs.

Полученные значения и можно проверить описанием зависимости интенсивности ФЛ эрбия от уровня Рис. 3. Обратное характеристическое время возрастания ФЛ накачки в стационарных условиях. Действительно, стаэрбия в зависимости от уровня возбуждения для эрбия в ционарное решение уравнения (1) имеет вид аморфном гидрогенизированном кремнии. T = 90 K.

NEr IEr =. (4) +1 rad Зависимость интенсивности ФЛ эрбия от уровня наВременное разрешение схемы регистрации ограничива качки определяется теми же параметрами и, что лось инерционностью фотоприемника и составляло 5 µs.

входят в (3). Рассчитанная зависимость с этими парамеНа рис. 1 приведен спектр ФЛ образца Si : H Er в трами хорошо описывает экспериментальную (рис. 2).

области 1–1.8 µm. Наблюдаемая линия с максимумом B (1) сечение возбуждения было введено как фено1.54 µm соответствует переходу из первого возбужденменологический параметр. Для понимания физического 4 ного состояния I13/2 в основное состояние I15/2 во смысла сечения возбуждения необходимо детальное внутренней 4 f -оболочке иона эрбия. На рис. 2 приведена рассмотрение процессов возбуждения и девозбуждения зависимость интенсивности эрбиевой люминесценции на ионов эрбия в аморфной матрице.

длине волны 1.54 µm от мощности накачки, измеренная Известно, что введение эрбия в матрицу аморфного при температуре 90 K.

кремния приводит к образованию оборванных связей Из обработки осциллограмм сигнала ФЛ эрбия на кремния (дефектов), которые могут иметь один электрон длине волны 1.54 µm можно получить зависимость вре(дефект в состоянии D0) или два электрона (дефект мени нарастания сигнала эрбиевой ФЛ on от мощности в состоянии D-). Эти состояния образуют уровни накачки. На рис. 3 приведено обратное время нарастания примерно в середине запрещенной зоны матрицы и раз1/on интенсивности ФЛ эрбия (точки) на длине волны делены корреляционной энергией 0.1-0.2eV. Энерге1.54 µm в зависимости от мощности накачки. тическое положение 4 f -терма иона эрбия примерно на Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Эффективное сечение возбуждения эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии... 10 eV ниже края валентной зоны. Поэтому возбуждение 4 f -оболочки иона эрбия может происходить только через кулоновское взаимодействие с носителями заряда матрицы (Оже-процесс).

Хорошо известно [5,6], что легирование кристаллического кремния эрбием и кислородом приводит к появлению донорных уровней, образуемых эрбийкислородными комплексами, с энергией связи в интервале 0.1–0.25 eV. Поэтому можно ожидать, что аналогичное Рис. 4. Схема возбуждения эрбия в аморфном гидрогенизиролегирование аморфного кремния также сопровождается ванном кремнии при межзонной оптической накачке.

образованием донорных состояний. Это подтверждается n-типом проводимости аморфного кремния, легированного эрбием и кислородом. Измерения температурного хода электропроводности, проведенные для ряда образ- Отметим, что в нашем случае D0-центры образуются только при возбуждении в результате захвата дырок цов, дают значения энергии Ферми на 0.5 eV ниже края подвижности в зоне проводимости. Поскольку концен- D--центрами. Их концентрация может быть найдена из уравнения трация эрбия в аморфном кремнии может достигать dND 1020 cm-3, а концентрация D-дефектов не превосходит - = cppND - cnnND. (7) 1018-1019 cm-3 [7,8], все D-дефекты в аморфном крем- dt нии, легированном эрбием, в равновесии оказываются Полученная система кинетических уравнения должна в состоянии D-. быть дополнена условием нейтральности При межзонном возбуждении близнецовая излучаn = p + ND. (8) тельная рекомбинация электронно-дырочных пар эффективна только при достаточно низких температурах, по- Процессы накачки, возбуждения и излучения ионов этому естественно предположить, что в наших образ- эрбия схематически представлены на рис. 4. За возбуждение ионов эрбия в матрице аморфного кремцах, содержащих большое количество D-дефектов [8], ния ответствен Оже-процесс, вероятность которого прорекомбинация происходит в основном безызлучательно порциональна произведению концентрации свободных через D-дефекты. Это подтверждается отсутствием в электронов на концентрацию D0-центров. Концентрация наших образцах при температуре эксперимента T = 90 K возбужденных ионов эрбия определяется кинетическим излучательных переходов зона–зона (рис. 1). Поскольку в условиях равновесия концентрации электронов, ды- уравнением рок и концентрация D0-центров пренебрежимо малы, dN N N = cAnND 1 - -. (9) а концентрация D--центров практически равна полной dt NEr концентрации D-центров, ND ND, то на первой стаПри анализе системы кинетических уравнений (5)–(9) дии рекомбинации дырки захватываются D--центрами, можно воспользоваться тем обстоятельством, что сипревращая их в D0-дефекты. Этот процесс описывается стема из матрицы и ионов эрбия разделена на две кинетическим уравнением подсистемы: ”быструю” (матрица), в которой времена dp релаксации всех электронных процессов (рекомбинация, = - cp pND, (5) dt захват свободных носителей D-центрами) не превышают нескольких десятков микросекунд, и ”медленную” (ионы где — поток фотонов, — коэффициент поглощения эрбия), в которой характерное время (время жизни накачивающего излучения, p — концентрация свободных ионов эрбия в возбужденном состоянии) по порядку дырок, cp — коэффициент захвата дырок D--центрами.

величины равно одной миллисекунде. Поэтому, рассмаНа втором этапе рекомбинации происходит переход тривая эволюцию системы ионов под действием вклюэлектронов из хвостов зоны проводимости на D0-центры ченного механизма накачки, можно считать, что подсис превращением последних в D--центры. Концентрация стема свободных носителей и дефектов уже находится в свободных электронов описывается уравнением стационарном состоянии. В этом случае уравнение (6) дает: nND = /cn.

dn = - cnnND. (6) Сопоставление (9) и (1) показывает, что процессы dt возбуждения ионов эрбия в матрице аморфного кремния Здесь n — концентрация свободных электронов, cn — действительно могут быть описаны с помощью фенополный коэффициент захвата электронов D0-центрами, менологического параметра — сечения возбуждения который представляет собой сумму вкладов от двух ионов эрбия, которое имеет смысл конкурирующих процессов: захвата электрона с возбуж cA =. (10) дением эрбия через Оже-процесс и многофононного NEr cA + cmp безызлучательного захвата, cn = cA + cmp [8,9].

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 604 М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, П.Е. Пак, Е.И. Теруков, И.Н. Яссиевич Отметим, что в уравнениях (1), (9), (10) под NEr Список литературы следует понимать не полную концентрацию ионов эр[1] I.N. Yassievich, L.C. Kimerling. Semicond. Sci. Technol. 8, бия, а только концентрацию оптически активных ионов, (1993).

которая, например, в кристаллическом кремнии обычно [2] S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo. Appl. Phys. Lett. 69, 2077 (1996).

составляет только несколько процентов от полной кон[3] J. Palm, F. Gan, B. Zheng, J. Michel, L.C. Kimerling. Phys. Rev.

центрации.

B54, 17 603 (1996).

Таким образом, как следует из (10), в случае оптиче[4] F. Priolo, G. Franzo, S. Coffa, A. Carnera. Phys. Rev. B58, ской накачки через свободные носители заряда в аморф(1998).

ной матрице сечение возбуждения обратно пропорци[5] J.L. Benton, J. Michel, L.C. Kimerling, D.C. Jacobson, Y.H. Xie, онально концентрации оптически активного эрбия. Это D.J. Eaglesham, E.A. Fitzgerald, J.M. Poate. J. Appl. Phys. 70, обусловлено тем, что в этом случае коэффициент погло- 2667 (1991).

[6] S. Libertino, S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo. J. Appl. Phys. 78, щения накачивающего излучения не зависит от концен3867 (1995).

трации эрбия (как это имеет место при прямом оптиче[7] K. Pierz, W. Fuhs, H. Mell. Phys. Mag. B63, 123 (1991).

ском возбуждении эрбия в диэлектрических матрицах), [8] W. Fuhs, I. Ulber, G. Weiser, M.S. Bresler, O.B. Gusev, а определяется только комбинированной плотностью A.N. Kuznetsov, V.Kh. Kudoyarova, E.I. Terukov, I.N. Yassieсостояний для межзонного перехода. Естественно, что vich. Phys. Rev. B56, 9545 (1997).

в таких условиях вероятность возбуждения одного иона [9] I.N. Yassievich, M.S. Bresler, O.B. Gusev. J. Phys.: Condens.

тем выше, чем на меньшее количество ионов приходится Matter. 9, 9415 (1977).

заданный поток возбуждающих частиц.

Вероятность Оже-возбуждения ионов эрбия при захвате электрона на D0-центр (DRAE-процесс), а также вероятность конкурирующего с ним многофононного безызлучательного захвата были вычислены в работе [9], где было показано, что в широкой области температур от температуры жидкого гелия до 200 K вероятность процесса DRAE преобладает, следовательно, отношение cA/cn близко к единице. С ростом температуры интенсивность многофононных переходов значительно возрастает, и отношение cA/cn заметно падает.

Поскольку при температуре 90 K, согласно данным работы [9], отношение cA/(cA + cmp) 1, можно воспользоваться формулой (10) и определить концентрацию оптически активных ионов эрбия в аморфной матрице. Если взять характерный коэффициент поглощения аморфного кремния на длине волны 0.64 µmравным 104 cm-1 и экспериментально определенное сечение возбуждения = 1.4 10-14 cm2, то концентрация оптически активных ионов эрбия получается равной 7 1017 cm-3, т. е. составляет несколько процентов от полной концентрации ионов эрбия, которая в наших образцах достигала 1019 cm-3.

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.