WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Излучательная рекомбинация на гетерогранице II типа в разъединенной гетероструктуре p-GaInAsSb/p-InAs при импульсном возбуждении © Н.Л. Баженов, Г.Г. Зегря, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, В.А. Смирнов, О.Ю. Соловьева, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 13 марта 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г. ) При T = 77 K исследована электролюминесценция в разъединенной одиночной гетероструктуре II типа p-GaInAsSb/ p-InAs при импульсном возбуждении. Показано, что так же, как и при возбуждении постоянным током, в спектрах наблюдаются две полосы излучения с максимумами, соответствующими энергиям 384 и 311 мэВ соответственно. Полуширина полос излучения составляет 18–19 мэВ. С помощью методики спектроскопии временного разрешения оценено время релаксации неравновесных носитетелей, которое составляло 6–7 мкс. Рассчитан спектр излучения в рамках модели Кейна и проведена оценка времени излучательной рекомбинации. Теоретические оценки находятся в разумном согласии с экспериментом.

Введение ный к широкозонному p-GaInAsSb. Отдельно регистрировались импульсы тока через образец и напряжение, Недавно была обнаружена и исследована электро- приложенное к структуре. Излучение с помощью специлюминесценция (ЭЛ) в одиночном разъединенном ге- альной оптической системы направлялось в монохроматеропереходе II типа p-GaInAsSb/p-InAs при возбу- тор МДР-23 с решеткой 150 штр/мм и регистрировалось ждении постоянным током [1,2]. Как было показа- фоторезистором из InSb с использованием импульсного но, механизм электролюминесценции в рассматриваемой синхронного детектора BCI-280, в котором длительность p-p-гетероструктуре обусловлен рекомбинацией элек- строба могла изменяться от 10 нс до 10 мкс.

тронов и дырок, локализованных в самосогласованных квантовых ямах по разные стороны гетерограницы [1].

Экспериментальные результаты В настоящей работе проведено дальнейшее и обсуждение исследование электролюминесценции гетероструктуры p-GaInAsSb/p-InAs при импульсном возбуждении с На рис. 1 представлены спектры ЭЛ для одиночной целью уточнения формы и положения спектральных гетероструктуры p-GaInAsSb/p-InAs при температурах линий, а также оценки характерных времен релаксации 77 и 100 K, длительности импульсов 10 мкс и частоте и уточнения механизма рекомбинации на гетерогранице повторения 1 кГц. Ток через образец в импульсе был II типа. Выполнен теоретический анализ скорости равен 0.25 А. Как видно из рис. 1, в спектре ЭЛ наизлучательной и оже-рекомбинации и исследована блюдаются две хорошо разделенные полосы излучения, форма линий излучения.

энергетическое расстояние между максимумами которых составляет 70 мэВ. При 77 K энергетическое полоМетодика эксперимента и образцы жение максимумов полос составляет h1 = 311 мэВ и h2 = 384 мэВ при полуширине 18–19 мэВ. ИнтенОдиночные гетероструктуры GaInAsSb/InAs были по- сивность коротковолновой полосы излучения превышает лучены методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) при интенсивность длинноволновой полосы приблизительно выращивании слоев твердого раствора на подложке в 4 раза. При увеличении температуры от 77 до 100 K оба p-InAs (100), легированной Zn (5 1016 см-3). Эпи- максимума смещаются в длинноволновую часть спектра на 2–3 мэВ, а также происходит незначительное уширетаксиальный широкозонный слой твердого раствора Ga1-xInxAsySb1-y (x = 0.17, y = 0.22) толщиной ние спектральных линий. Кроме того, при увеличении 2 мкм был изопериодным с подложкой с точностью температуры наблюдается относительный рост интенa/a = 2 10-4. Слой твердого раствора также сивности длинноволновой полосы излучения.

легировался Zn до концентрации p = 1018 см3. Ширина При уменьшении длительности импульсов тока от запрещенной зоны твердого раствора по данным фотолю- до 0.1 мкс значительного изменения формы и положения минесценции при T = 77 K составляла Eg = 0.630 эВ [1]. линий в спектре электролюминесценции не наблюдалось.

Следовательно, время заполнения квантовых уровней не Измерения проводились в импульсном режиме при может превышать 0.1 мкс.

T = 77 K. Импульсы тока имели прямоугольную форму и длительность в пределах 0.1–100 мкс при частоте повто- На рис. 2 представлены зависимости энергетическорения 102-103 Гц. Отрицательный потенциал был прило- го положения максимумов двух полос излучения от жен к узкозонному полупроводнику p-InAs, положитель- длительности импульса тока через гетероструктуру. ИзИзлучательная рекомбинация на гетерогранице II типа в разъединенной гетероструктуре... ставлена зависимость интенсивности коротковолновой полосы излучения от времени, прошедшего после выключения тока через гетеропереход. Как видно из рис. 3, падение интенсивности в e раз происходит приблизительно через 6 мкс после прекращения тока. Эта величина и соответствует времени рекомбинации.

Для интерпретации экспериментальных данных нами был принят за основу механизм электролюминесценции в разъединенной p-p-гетероструктуре II типа, предложенный в работе [1]. На рис. 4 представлена энергетическая диаграмма гетероперехода для случая, когда отрицательный потенциал приложен к узкозонному полупроводнику p-InAs, а положительный — к широкозонному p-GaInAsSb (”обратное” смещение). Под действиРис. 1. Спектры электролюминесценции при T = 77 K (сплошная линия) и T = 100 K (штриховая).

Рис. 3. Зависимость интенсивности коротковолновой полосы излучения от времени с момента выключения тока через гетеропереход.

Рис. 2. Зависимости энергетического положения максимумов полос излучения от длительности импульса тока через гетероструктуру.

мерения проводились следующим обарзом: при изменении длительности импульса регистрация излучения осуществлялась с помощью стробирующего импульса, длительностью 1 мкс, который располагался в конце импульса тока. Сдвиг обоих максимумов полос излучения в длинноволновую часть спектра свидетельствует о нагреве образца в процессе протекания тока. В дальнейшем анализ формы линии люминесценции проводился при длительностях импульсов, исключающих нагрев образца.

Для экспериментальной оценки времен рекомбинации неравновесных носителей заряда была использована Рис. 4. Энергетическая диаграмма гетероперехода при ”обратспектроскопия временного разрешения. На рис. 3 предном” смещении.

2 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 660 Н.Л. Баженов, Г.Г. Зегря, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, В.А. Смирнов, О.Ю. Соловьева, Ю.П. Яковлев ем приложеного электрического смещения электроны могут туннелировать из узкозонного полупроводника на уровни, локализованные в квантовой яме, а затем эффективно рекомбинировать с дырками из широкозонного полупроводника.

Мы провели расчет энергетического спектра для гетероструктуры p-GaInAsSb/p-InAs в квазиклассическом приближении. Квантовая яма для электронов на гетерогранице со стороны p-InAs оказалась узкой и глубокой, ее форма описывается потенциалом u(x) =(x)1/4, где = 8.3 10-3 эВ4/см. Оценка положения уровней электронов в квантовой яме дала значение E1 247 мэВ и E2 315 мэВ. Квантовая яма для дырок является более широкой, а энергия соответствующего локального уровня — Eh 50 мэВ.

Рис. 5. Коротковолновая линия люминесценции: сплошная Как показал анализ, основной вклад в оптический кривая — расчет, штриховая — эксперимент.

матричный элемент дает узкая область вблизи гетерограницы. Поэтому матричный элемент практически не зависит от формы потенциальных ям для электронов и дырок, а зависит только от величины потенциальных Таким образом, время излучательной рекомбинации возбарьеров Ec и Ev. Поэтому для оценки скорости растает при уменьшении эффективной ширины запреизлучательной рекомбинации мы приняли модель пря щенной зоны Eg.

моугольных ям для электронов и дырок. Волновые функСовершенно иначе ведет себя скорость оже-рекомции носителей вычислялись в простейшем многозонном бинации. Согласно [3], скорость оже-рекомбинации в приближении — модели Кейна с исчезающе малым гетероструктурах II типа может быть представлена в спин-орбитальным взаимодействием. В этом случае для виде скорости излучательной рекомбинации имеем [3] EB T m2 g ka 3Ec - Ev e2 Eg np T mh G = 32 2 2 h n2p cos4, R = Eg, (1) h EcEg m2 a2b 2 4Ec c 0 c mcc2 mcEc Ec mc (3) где a и b — ширина квантовой ямы для электронов где Eg — эффективная ширина запрещенной зоны (раси дырок соответственно, EB = mce4/(2h20) — стояние между квантовыми уровнями электронов и дыборовская энергия электрона, k2 = 2mcEoc/h2;

рок), Ec — высота гетеробарьера для электронов, n 2 = {2mc(Ec - Eoc)/h2}; Eoc — энергия основного и p — двумерные концентрации электронов и дырок уровня размерного квантования электронов, в квантовых ямах. Остальные обозначения являются g = h/(2mcEg )1/2. Таким образом, скорость ожеобщепринятыми.

рекомбинации является функцией ширины запрещенной Для оценки скорости излучательной рекомбинации -11/ зоны Eg : G Eg ; скорость излучательной при T = 77 K были использованы следующие параметры рекомбинации является возрастющей функцией Eg :

структуры: n = p = 3 1011 см-2, mc = 0.023m0, R Eg. Скорость оже-рекомбинации со второго mh = 0.41m0, = 11.6, 0 = 14.5. Высота уровня меньше, чем с первого. Действительно, расчет гетеробарьера для электронов Ec = 0.38 эВ, эффексогласно (3) дает A2 = 1.4 10-7 с, A1 = 4.5 10-8 с.

тивная ширина запрещенной зоны для второго уровня Следовательно, время жизни носителей контролируется электронов Eg = 380 мэВ. Тогда для скорости излучадвумя процессами рекомбинации — излучательной и тельной рекомбинации, согласно (1), получаем значение Оже: 1/ = 1/R + 1/A.

R = 2 1018см2 · с-1.

Нами была теоретически проанализирована форма лиНами была также проведена теоретическая оценка ний ЭЛ. Оказалось, что форма коротковолновой линии времени излучательной рекомбинации для электронов на люминесценции скорее близка к гауссовой (рис. 5).

гетерогранице. Обратное время излучательной рекомбиОднако обращает на себя внимание тот факт, что если в нации для электронов, согласно (1), имеет вид эксперименте более крутым является коротковолновый край линии ЭЛ, то в расчетной кривой, выполненной 1 R =. (2) в рамках изложенной модели, более крутым является R n длинноволновый край. Поэтому выяснение механизма Следовательно, время излучательной рекомбинации уширения линии ЭЛ представляет собой отдельную зададля электронов со второго уровня E2 R2 = 1.8 10-7 с. чу. Для ее решения необходимы дополнительные иссле Для первого уровня Eg = 310 мэВ и R1 = 2.0 10-7 с. дования как теоретические, так и экспериментальные.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Излучательная рекомбинация на гетерогранице II типа в разъединенной гетероструктуре... Заключение Таким образом, в настоящей работе исследованы спектры ЭЛ одиночной гетероструктуры p-GaInAsSb/p-InAs в импульсных электрических полях. Полученные экспериментальные данные могут быть объяснены моделью излучательной рекомбинации электронов, локализованных в самосогласованной квантовой яме на гетерогранице со стороны p-InAs. Полученные в эксперименте времена релаксации ЭЛ ( 6710-6 с) не противоречат туннельному механизму заполнения электронами уровней размерного квантования. Проведенные теоретические оценки времени излучательной и оже-рекомбинации находятся в разумном согласии с экспериментальными значениями.

Авторы считают, своим приятным долгом поблагодарить проф. В.И. Иванова-Омского за участие в обсуждении результатов и ценные замечания.

Данная работа частично поддерживалась Российским Фондом фундаментальных исследований, грант № 9602-17841-a, также Международной ассоциацией INTAS, грант № 94-0789.

Список литературы [1] М.П. Михайлова, Г.Г. Зегря, К.Д. Моисеев, И.Н. Тимченко, Ю.П. Яковлев. ФТП, 29, 686 (1995).

[2] M.P. Mikhailova, G.G. Zergya, K.D. Moiseev, Yu. P. Yakovlev.

Sol. St. Electron., 40, 673 (1996).

[3] G.G. Zergya, A.D. Andreev. Appl. Phys. Lett., 67, 2681 (1995).

Редактор В.В. Чалдышев Radiative recombination of carriers at the interface of type II broken-gap p-GaInAsSb/p-InAs heterojunction under pulsed exicitation N.L. Bazhenov, G.G. Zegrya, M.P. Mikhailova, K.D. Moiseev, V.A. Smirnov, O.Yu. Solov’eva, Yu.P. Yakovlev A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

Electroluminescence from the type II broken-gap p-GaInAsSb/ p-InAs single heterojunction has been studied at T = 77 K under pulsed excitation. Two bands were observed with the maxima at 384 and 311 meV, as in the case of permanent excitation. Their full widths at a half-maximum were 18–19 meV.

Using the time resolution spectroscopy technique, we have estimated the time constant corresponding to the non-equilibrium carrier relaxation process, which was about 6–7 µs. Using the Kane model, we have calculated the radiation spectrum and estimated the carrier lifetime peculiar to the radiation process. Theoretical values are in reasonable agreement with the experimental data.




© 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.