WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 8 Проявление A(+) центров в люминесценции двумерных структур GaAs / AlGaAs © Ю.Л. Иванов, Н.В. Агринская, П.В. Петров, В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 31 января 2002 г. Принята к печати 31 января 2002 г.) Исследовались фотолюминесцентные свойства структур множества квантовых ям на основе GaAs / AlGaAs, содержащие положительно заряженные акцепторные состояния мелкой примеси бериллия (так называемые A(+) центры). Обнаружена новая линия люминесценции, которая является результатом излучательной рекомбинации свободных электронов с A(+) центрами. Показано, что энерегтическое положение линии однозначно определяется энергией связи A(+) центров. Показано также, что энергия связи A(+) центров возрастает по мере уменьшения ширины квантовых ям в случае, когда размер ям сопоставим с радиусом локализации дырок на A(+) центрах.

1. Введение нии картин люминесценции, полученных от структур с шириной ям 15 нм и от структур с шириной ям 9 нм, К настоящему времени хорошо известно, что в услопричем в каждом случае легировались либо только ямы виях низких температур нейтральные донорные и ак(ямы содержали A(0) центры), либо как ямы, так и цепторные примеси могут захватывать соответственно барьеры (ямы содержали A(+) центры). И в том, и электрон или дырку, образуя заряженные состояния, другом случаях ямы разделяют барьеры Al0.3Ga0.7As так называемые D(-) или A(+) центры. В объемном шириной 20 нм. Структуры содержат 10 квантовых материале типа GaAs их энергия связи составляет доям, со стороны подложки отделенных 100 нм слоем ли мэВ, однако она значительно возрастает в двумерных Al0.3Ga0.7As, а со стороны поверхности — 200 нм слоструктурах по сравнению с трехмерными, что облегчает ем Al0.3Ga0.7As во избежание влияния поверхностного их исследование. Вместе с тем в двумерных струкпотенциала на картину зонной структуры ям. Легиротурах легко получить стационарные D(-) или A(+) вание осуществлялось в слое 5 нм в средней части центры методом так называемого двойного селективям (или ям и барьеров) мелкой примесью бериллия с ного легирования [1] (одновременного легирования в концентрацией (3-5) · 1017 см-3. Концентрация примеквантовые ямы и барьеры). Исследованию отрицательно си выбрана таким образом, чтобы, с одной стороны, заряженных мелких доноров, D(-) центров, в квантоона была меньше критической для перехода изолятор– вых ямах типа GaAs / AlGaAs к настоящему времени металл, с другой — достаточно высокой для наблюпосвящено уже значительное количество работ (см., надения примесной люминесценции. Возбуждение струкпример, [2,3]). Что касается соответствующих состояний тур осуществлялось с помощью гелий-неонового лазера мелких акцепторов (A(+) центров), то их исследование ЛГН-215, а доставка луча лазера на образец и съём ограничивается лишь некоторыми теоретическими раболюминесценции происходили с помощью стеклянного тами [4]. Недавно нами были экспериментально обнарусветопровода. Максимальная мощность лазерного луча жены A(+) центры в квантовых ямах типа GaAs / AlGaAs в месте образца (на выходе светопровода) составляла шириной 15 нм и проведено первое предварительное их 10 мВт / мм2. Регистрация фотолюминесценции осущеисследование. С помощью измерений эффекта Холла [5] ствлялась в режиме счета фотонов с помощью охлаи низкотемпературного прыжкового транспорта по A(+) ждаемого фотоумножителя ФЭУ-62. Образцы структур зоне [6] были определены энергетическое положение и погружались непосредственно в жидкий гелий.

боровский радиус A(+) центров.

Типичный спектр фотолюминесценции структур с шиСущественным дополнением к определению прирориной ям 15 нм показан на рис. 1. Кривой 1 представлен ды A(+) центров является анализ их люминесцентных спектр фотолюминесценции структур, содержащих A(0) свойств. В настоящей работе исследованы спектры фотоцентры. Спектр состоит из четырех линий. Линия при люминесценции в квантовых ямах p-типа GaAs / AlGaAs, 1.5352 эВ представляет свободный экситон и появляетсодержащих A(+) центры, которые получены методом ся только при наибольшей, достижимой в настоящих двойного селективного легирования мелкой акцепторэкспериментах, накачке вследствие квадратичной завиной примесью бериллия.

симости ее интенсивности от накачки. Ее положение, учитывая ширину квантовых ям, соответствует литературным данным [7], а энергия связи равна 7.6 мэВ.

2. Эксперимент Линия при 1.5287 эВ соответствует связанному на приИсследовались структуры множества квантовых ям меси экситону с энергией связи 9 мэВ. Зависимость ее GaAs / Al0.3Ga0.7As, выращенные методом молекулярно- интенсивности от накачки линейна, что соответствует пучковой эпитаксии. Исследование основано на сравне- связанному состоянию. Линия при 1.5136 эВ связана с 7 994 Ю.Л. Иванов, Н.В. Агринская, П.В. Петров, В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин Типичный спектр фотолюминесценции структур с шириной ям 9 нм показан на рис. 2. Здесь также кривая представляет спектр фотолюминесценции структур, содержащих A(0) центры, а кривая 2 представляет спектр фотолюминесценции структур, содержащих A(+) центры. На кривой 1 свободный экситон проявляется слабо, по существу виден только пик фотолюминесценции связанного экситона и пик излучательной рекомбинации на примесь, который отстоит от пика связанного экситона примерно на 16 мэВ. Кривая 2 так же, как и на рис. 1, выражена одним пиком, без примесного пика, но этот пик отстоит от пика связанного экситона в отличие от 15 нм ям на 11 мэВ, т. е. на 10 мэВ больше.

3. Обсуждение результатов Рис. 1. Фотолюминесценция структур с шириной квантовых Факт отсутствия обычного примесного пика фотоям 15 нм.

люминесценции от структур, содержащих только A(+) центры, объясняется отсутствием состояний нейтральной примеси. Иными словами, A(+) центр является обычным многозарядным центром, подобно компенсированной меди в германии [9]. При этом в состоянии, близком к равновесию, в оптических свойствах этого центра участвует только верхний уровень. В нашем случае A(+) центров в 15 нм ямах этот уровень отстоит от края валентной зоны на 7-8 мэВ, как это было определено нами ранее из холловских измерений [5].

Поэтому основной уровень примеси, отстоящий от края валентной зоны на 30 мэВ, проявиться не может.

(Основной уровень примеси может проявиться при достаточно больших уровнях возбуждения вследствие захвата неравновесных электронов A(+) центрами). Однако необходимо выяснить природу пика, связанного с A(+) центром, — является ли этот пик результатом излучательной рекомбинации на A(+) центр, или этот пик обязан связанному на A(+) центре экситону.

Рис. 2. Фотолюминесценция структур с шириной квантовых Как было отмечено выше и показано в [5], энергия ям 9 нм.

связи A(+) центров в квантовых ямах вследствие ограничения интерфейсами становится больше, чем в объеме, и должна увеличиваться при уменьшении ширины излучательной рекомбинацией на примесь. Она отстоит ямы в определенных пределах. Можно ожидать, что в от линии связанного экситона на 14 мэВ и от линии квантовых ямах шириной 9 нм энергия связи будет еще свободного экситона на 21 мэВ ниже по энергии.

больше, чем в ямах шириной 15 нм. Действительно, пик, Зависимость ее интенсивности от накачки сублинейна.

связанный с A(+) центрами в структурах с квантовыми Ее энергетическое положение определяется энергией ямами шириной 15 нм, отстоит от пика связанного связи A(0) центра, которая составляет 30 мэВ, что экситона на 1 мэВ, тогда как для структур с ямами согласуется с литературными данными [8]. Линия при шириной 9 нм эта разница составляет 11 мэв, т. е. пик 1.4919 эВ соответствует фотолюминесценции объемно- смещается на 10 мэв. Можно сделать предположение, го материала подложки GaAs и проявляется во всех что пик в структурах с A(+) центрами есть результат спектрах. Кривой 2 на рис. 1 представлен спектр излучательной рекомбинации на этот центр. В этом фотолюминесценции структур, содержащих A(+) цен- случае положение пика определяет энергию связи A(+) тры. Характерной особенностью этого спектра является центра, полученную из оптических измерений. Это предотсутствие обычной примесной линии. Линии свобод- положение подтверждается ниже приведенной таблицей, ного и связанного экситонов практически не видны. в которой приведены положения всех пиков для струкОсновной пик, находящийся при 1.5278 эВ, отстоит тур с ямами шириной 15 и 9 нм. Четвертый столбец от пика связанного экситона на 1 мэВ ниже по указывает разницу в положении пиков, которая возникла энергии. в результате увеличения ширины запрещенной зоны Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Проявление A(+) центров в люминесценции двумерных структур GaAs / AlGaAs и программой „Физика твердотельных наноструктур“ Ширина ям, нм;

по теме „Оптические и нелинейно-оптические свойства 9 разница в энергии пиков, эВ наноструктур“.

Энергия пика свободного 1.5564 1.5355 0.экситона,, эВ Список литературы Энергия пика связанного 1.5489 1.5289 0.экситона,, эВ [1] S. Huant, S.P. Najda, B. Etienne. Phys. Rev. Lett., 65, (1990).

Энергия пика излучательной 1.5327 1.5136 0.[2] S. Huant, A. Mandray, J. Zhu, C.G. Louie, T. Pang, B. Etienne.

рекомбинации на примесь,, эВ Phys. Rev. B, 48, 2370 (1993).

Энергия пика излучательной 1.5380 1.5273 0.[3] D. Mikhailov, F.J. Betancur, J.H. Marin, L.E. Oliveira. Phys.

рекомбинации на A(+) центр,, эВ St. Sol. (b), 210, 605 (1998).

[4] I.N. Yassievich, K. Schmalz, M.A. Odnobludov, M.S. Kagan.

Sol. St. Electron., 40, 97 (1996).

[5] Н.В. Агринская, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, Д.В. Полоспри уменьшении толщины ямы. Видно, что наибольшая кин. ФТП, 35, 571 (2001).

разница в энергиях присуща пику свободного экситона, [6] Н.В. Агринская, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, А.В. Чернянесколько меньше — связанному экситону и переходу на ев, Д.В. Шамшур. ЖЭТФ, 120, 480 (2001).

примесь. Это можно объяснить большим увеличением [7] A.C. Ferreira, P.O. Holtz, B.E. Sernelius, I. Buyanova, B. Moэнергии связи примесных состояний при уменьшении nemar, O. Mauritz, U. Ekenberg, M. Sundaram, K. Campman, ширины ям, чем экситонных. Действительно, согласно J.L. Merz, A.C. Gossard. Phys. Rev. B, 54, 16 989 (1996).

литературным данным, энергия связи свободного экси[8] W.T. Masselink, Yia-Chung Chang, H. Morko. Phys. Rev. B, тона увеличивается на 0.8 эВ при уменьшении ширины 32, 5190 (1985).

квантовых ям от 15 до 9 нм [10], тогда как энергия связи [9] Ю.Л. Иванов, С.М. Рывкин. ФТТ, 4, 1482 (1962).

примеси бериллия — приблизительно на 2 эВ [8]. Вместе [10] Y. Fu, R.A. Chao. Phys. Rev. B, 43, 12 629 (1991).

с тем смещение пиков свободного и связанного экситоРедактор Л.В. Беляков нов и примесного пика в среднем вдвое больше, чем пика A(+) центра. Это означает, если верно вышеукаManifestation of A(+) centers занное предположение об излучательной рекомбинации in luminescence of two dimensional электронов на A(+) центр, что уровень A(+) центра в ямах 9 нм становится глубже. Действительно, проведенGaAs / AlGaAs structures ные измерения эффекта Холла структур с шириной ям Yu.L. Ivnov, N.V. Agrinskaya, P.V. Petrov, V.M. Ustinov, 9 нм показали, что энергия связи A(+) центра в этих G.E. Cirlin ямах возросла до 14 мэВ, т. е. она на 7 мэв больше, чем в ямах шириной 15 нм. Отметим, что все энергии связи, Ioffe Physicotechnical Institute of the полученные посредством измерений эффекта Холла, как Russian Academy of Sciences, это отмечалось в [5], могут отличаться от истинной 194021 St. Petersburg, Russia на величину 1/2W, где W — ширина примесной зоны.

Учитывая это, можно констатировать вполне хорошее

Abstract

Photoluminiscence properties of GaAs / AlGaAs согласие изменения энергетического положения A(+) MQW (multiple quatum wells) containing positively charged центра, полученное посредством люминесцентных и shallow impurities of Be (so called A(+) centers) have been термических измерений.

studied. A novel line of photoluminescence have been found, Из этих экспериментальных фактов можно сделать which is a result of the free electrons A(+) centers radiative вывод, что пик фотолюминесценции, связанный с A(+) recombination. It is shown that the energy position of the line центрами, действительно является результатом излучаis unambiguously determined by the binding energy of A(+) тельной рекомбинации электронов с этими центрами.

centers. It is shown also that the binding energy of A(+) centers increases with decreasing QW width when A(+) center raduis is 4. Заключение commensurable with the QW width.

Таким образом, в настоящей работе обнаружена новая линия люминесценции, связанная с излучательными переходами на A(+) центры. Ее энергетическое положение однозначно определяется энергетическим положением A(+) центра и сильно зависит от ширины квантовой ямы в случае, когда размер ям сопоставим с радиусом локализации дырок на A(+) центрах.




© 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.