WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Оптическая спектроскопия экситонных состояний в диарсениде цинка © А.В. Мудрый, В.М. Трухан, А.И. Патук, И.А. Шакин, С.Ф. Маренкин Институт физики твердого тела и полупроводников Академии наук Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия (Получена 20 декабря 1996 г. Принята к печати 25 декабря 1996 г.) В интервале температур 4.2-300 K в области края фундаментального поглощения исследованы люминесценция и пропускание монокристаллов диарсенида цинка. При низких температурах обнаружены интенсивные линии люминесценции и поглощения 1.0384 и 1.0488, 1.0507 эВ, относящиеся к основному (n = 1) и возбужденным (n = 2, n = 3) состояниям свободного экситона. На основании водородоподобной модели определена энергия связи свободного экситона 13.9 мэВ и ширина прямой запрещенной зоны, составившая 1.0523, 1.0459 и 0.9795 эВ при 4.2, 78 и 300 K соответственно.

Соединение ZnAs2 относится к группе полупроводни- этого интервала энергий коэффициент R определялся из ков AIIBV и кристаллизуется в моноклинной структу- соотношения T0 =(1 -R)/(1 +R). Спектры люминесре [1]. При этом атомы мышьяка образуют цепочечные ценции регистрировались по методике, изложенной в [7].

структуры, ориентированные вдоль главной кристалло- Спектральное положение линий в оптических спектрах графической оси C, что обусловливает значительную определено с точностью ±0.2 мэВ.

анизотропию физических (электрических, оптических и Типичный спектр поглощения одного из образцов др.) свойств этого материала [2–6]. К настоящему диарсенида цинка (d 60 мкм) при 4.2 K приведено на времени ZnAs2 является наиболее исследованным срерис. 1. В спектре отчетливо проявляются три сходящиди соединений этой группы полупроводников, однако еся в коротковолновую область линии с максимумами многие его свойства, и прежде всего оптические, из1.0384, 1.0488 и 1.0507 эВ. Полуширина этих линий учены недостаточно. В большинстве случаев данные о составляет 0.54 мэВ, т. е. 1.5kT. Необходимо отмефундаментальных параметрах и зонной структуре этого тить, что их энергетическое положение для кристаллов, материала противоречивы [3–5]. Кроме того, люмивыращенных методом Бриждмена или синтезированных несценция области края собственного поглощения раиз газовой фазы, оказывается практически одинаковым и нее никем не исследовалась. Учитывая, что оптическая остается неизменным от образца к образцу в пределах спектроскопия является эффективным способом опреде±0.2 мэВ. Стабильность энергетического положения ления параметров зонной структуры, в данной работе в спектральных линий и равенство их полуширин в образобласти края фундаментального поглощения проведены цах, вырезанных из различным слитков или его частей, измерения оптического пропусканияи люминесценции свидетельствует о синтезе структурно-совершенных мос высоким спектральным разрешением в широком иннокристаллов как методом Бриджмена, так и при их тервале температур для установления фундаментальных выращивании из газовой фазы. Представленная на рис. параметров этого материала — энергии связи экситона структура спектра поглощения характерна для прямои точного значения ширины прямой запрещенной зоны.

Исследования проведены на структурно-совершенных монокристаллах ZnAs2, выращенных методом вертикальной направленной кристаллизации по Бриджмену, а также полученнных из газовой фазы. Исходные образцы, как правило, обладали проводимостью p-типа и имели концентрацию носителей 1014 см-3 и холловскую подвижность 150 см2/В · с. Плотность дислокаций в кристаллах была ниже 5 · 102 см-2. Оптические спектры регистрировались в неполяризованном свете в температурном интервале 4.2-300 K. Спектральная зависимость коэффициента поглощения (h) определялась из спектров пропускания на основании соотношения (1 - R)2 exp(-d) T0 =, (1) 1 - R2 exp(-2d) где T0 и R — коэффициенты пропускания и отражения, d — толщина образца. Установлено, что в спектральной области 0.7-0.9 эВ коэффициент пропускания T0 не зависит от h и составляет 50–55% для всех исследованРис. 1. Спектр поглощения диарсенида цинка при 4.2 K.

ных образцов, т. е. d 1 (область прозрачности). Для Спектральное разрешение 0.1 мэВ.

1030 А.В. Мудрый, В.М. Трухан, А.И. Патук, И.А. Шакин, С.Ф. Маренкин зонных материалов и может быть интерпретирована как проявление основного (n = 1) и двух возбужденных (n = 2, n = 3) состояний свободного экситона — соответственно линии 1.0384, 1.0488 и 1.0507 эВ. Если принять за основу водородоподобную модель, описывающую энергию экситонных состояний, можно вычислить энергию связи экситона Eex и оценить ширину прямой энергетической зоны Eg. Согласно этой модели энергия экситонных состояний En определяется из формулы Eex En = Eg -. (2) nИспользуя экспериментально определенные значения энергетического положения основного (1.0384 эВ) и возбужденных (1.0488 и 1.0507 эВ) экситонных состояний, мы оценили, что энергия связи экситона составляет 13.9 мэВ, а ширина прямой запрещенной зоны равна 1.0523 эВ при 4.2 K.

На рис. 2 представлены спектры пропускания образца с толщиной 300 мкм при 4.2, 78 и 300 K. Видно, что по мере увеличения температуры измерений про- Рис. 3. Температурная зависимость энергетического положения экситонных состояний и ширины запрещенной зоны исходит смещение экситонной серии в длинноволновую диарсенида цинка.

область спектра, уширение соответствующих ей линий n = 1, 2, 3, а также последовательное исчезновение компонент, относящихся к возбужденным состояниям.

Эксперименты показали, что относительное энергетичеприсутствует в спектрах пропускания до температур ское расстояние между линиями не зависит от темпераи 180 K соответственно. При комнатной температуре туры и остается неизменным. Линии с n = 3 и n = проявляется только основное состояние экситона n = 1, рис. 2, c.

Как следует из рис. 1 и 2, a, помимо максимумов экситонного поглощения, соответствующих основному и двум возбужденным состояниям, у линии n = существует тонкая структура, состоящая из двух дополнительных компонент 1.0482 и 1.0498 эВ. Они наблюдаются в спектрах до температур 35 K и в дальнейшем не разрешаются вследствии температурного уширения линий. Возможная причина появления тонкой структуры у первого возбужденного состояния будет отмечена далее.

Температурная зависимость изменения энергий основного и двух возбужденных состояний, а также ширины прямой запрещенной зоны представлена на рис. 3. Из наших экспериментов следует, что энергия связи экситона не зависит от температуры измерений. Поэтому в соответствии с формулой (2) температурная зависимость ширины запрещенной зоны получена добавлением энергии связи экситона 13.9 мэВ к экспериментально измеренному значению энергии основного состояния (линия n = 1). Оценка температурного коэффициента изменения ширины запрещенной зоны в области 110–300 K дает величину 3.1 · 10-4 эВ/K.

На рис. 4 приведены спектры люминесценции монокристаллов диарсенида цинка при различных температурах. В области близкраевого поглощения обнаружена дублетная структура 1.0384 и 1.0396 эВ с отношением Рис. 2. Спектры пропускания диарсенида цинка. Спектральное интенсивностей 3 : 1 (рис. 4, a, b), обусловленная рекомразрешение 0.1 мэВ. T, K: a —4.2, b — 78, c — 300.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Оптическая спектроскопия экситонных состояний в диарсениде цинка ния экситона становится неразрешаемой и при 78 K (рис. 4, c) наблюдается линия n = 1, уширенная до 4.5 мэВ.

В спектрах люминесценции при комнатной температуре доминирующей является линия 0.963 эВ, соответствующая основному экситонному состоянию с n = 1.

Особо отметим существование расщепления ( 1.2 мэВ, рис. 4, a, b) основного состояния экситона в люминесценции и первого возбужденного состояния в поглощении (рис. 1). По нашему мнению, это может являться следствием спин-орбитального или обменного взаимодействия, а также расщепления энергетических зон. Такого рода эффекты обнаружены и для других полупроводниковых соединений [9,10].

Установлено, что температурное смещение основного и возбужденных состояний в люминесценции такое же, как и в пропускании. На основании энергетического положения линий люминесценции n = 1, 2 при 4.2 K и n = 1, 2 и 3 при 48 K в рамках водородоподобной модели была определена энергия связи экситона, оказавшаяся равной 13.9 мэВ, что совпадает с данными по поглощению.

Используя известные выражения для эффективных масс электрона и дырки me = 0.345m и mh = 2.45m (m — масса свободного электрона), а также формулу 1/m = 1/me + 1/mh, можно найти приведенную массу экситона, которая оказалась равной m = 0.3m. С учетом диэлектрической проницаемости 0 = 15 можно определить энергию связи экситона в основном состояРис. 4. Спектры люминесценции диарсенида цинка. Спекнии в рамках водородоподобного приближения:

тральное разрешение 0.3 мэВ. T, K: a —4.2, b — 48, c — 78, d — 3000.

meEex =. (3) 2hбинацией свободных экситонов в основном состоянии. Оценка по формуле (3) дает значение Eex = 18.3 мэВ, Значительное увеличение чувствительности измеритель- которое удовлетворительно согласуется с эксперименной аппаратуры (в 103 раз) позволяет зарегистриро- тальным.

вать в спектрах излучения линию 1.0788 эВ, связанную Необходимо отметить, что ранее в работе [3] в спекс аннигиляцией экситонов в первом возбужденном со- трах пропускания и отражения при 4.2 K наблюдались стоянии (n = 2). Эксперименты показали, что энерге- линии 1.0375 и 1.0475 эВ, отнесенные к состояниям тические положения максимумов поглощения и люми- n = 1 и n = 2 свободного экситона. Энергия связи, несценции для экситонных состояний совпадают. Линия оцененная по этим данным, составляет 12 мэВ, а ширина люминесценции 1.0344 эВ (M5) наблюдалась нами ранее запрещенной зоны 1.049 эВ при 4.2 K. Однако и отнесена к излучательной рекомбинации экситонов, результаты, поученные в настояшей работе, дают иные локализованных на примесно-дефектных комплексах [8]. значения Eex и Eg.

Полуширина экситонных линий люминесценции с Получению более точного значения ширины прямой n = 1 и n = 2 при 4.2 K составляла 0.48 мэВ, запрещенной зоны и величины энергии связи, по нашет. е. 1.3kT. По мере увеличения температуры эти ли- му мнению, способствовало обнаружение в поглощении нии уширяются и смещаются в низкоэнергетическую состояния с n = 3 и состояний с n = 1, 2, 3 в область. При T 48 K (рис. 4, b) наряду с линиями люминесценции при различных температурах.

n = 1, 2 в спектрах люминесценции отчетливо видна Таким образом, проведенные впервые эксперименты линия, относящаяся ко второму возбужденному состо- по обнаружению собственной люминесценции диарсениянию n = 3 и присутствующая в спектрах до температур да цинка с высоким спектральным разрешением, допол 65 K. Экситонное состояние с n = 2 проявляется в ненные измерением оптического пропускания, позволилюминесценции вплоть до температуры 180 K. ли определить с высокой точностью энергию связи своПо мере приближения к температуре жидкого азота бодного экситона ( 13.9 мэВ) и ширину запрещенной дублетная структура расщепленного основного состоя- зоны в интервале температур 4.2-300 K.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1032 А.В. Мудрый, В.М. Трухан, А.И. Патук, И.А. Шакин, С.Ф. Маренкин Работа выполнена при поддержке Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь.

Список литературы [1] В.Б. Лазарев, В.Я. Шевченко, Я.Х. Гринберг, В.В. Соболев.

Полупроводниковые соединения группы AIIBV (М., Наука, 1978).

[2] V.V. Sobolev, N.N. Syrbu. Phys. St. Sol. (b), 51, 863 (1972).

[3] V.V. Sobolev, A.I. Kozlov. Phys. St. Sol. (b), 126, K59 (1984).

[4] С.Ф. Маренкин, А.М. Раухман, Д.И. Пищиков, В.Б. Лазарев. Неорг. матер., 28, 19813 (1992).

[5] В.А. Морозова, Д.И. Пищиков, В.М. Лосева, О.Р. Кошелев, С.Ф. Маренкин. ФТП, 25, 1664 (1991).

[6] К. Хакимов, В.С. Вавилов, С.Ф. Маренкин, М.Ю. Хухрянский, В.М. Чукичев. ФТП, 21, 1447 (1987).

[7] С.Ф. Маренкин, Д.И. Пищиков, В.А. Леонтьева, А.В. Мудрый, В.Г. Соловьева, А.И. Патук, И.А. Шакин. Неорг.

матер., 29, 607 (1993).

[8] A.V. Mudryi, A.I. Patuk, I.A. Shakin, A.E. Kalmykov, S.F. Marenkin, A.M. Raukhman. Mater. Chem. and Phys., 44, 151 (1996).

[9] J.Z. Wan, J.L. Brevner, R. Leonelli, G. Zhao, J.T. Graham.

Phys. Rev. B, 48, 5197 (1993).

[10] Р.П. Сейсян, М.П. Абдулаев. ФТП, 4, 811 (1973).

Редактор В.В. Чалдышев Optical spectroscopy of zinc diarsenide exitonic states A.V. Mudryi, V.M. Trukhan, A.I. Patuk, I.A. Shakin, S.F. Marenkin Institute of Solid State and Semiconductors Physics, Academy of Sciences of Belarus, 220072 Minsk, Belarus

Abstract

The luminescence and transmission spectra near the fundamental absorption edge of zinc diarsenide on a wide temperature range [4.2–300 K] and under high-resolution conditions are studied. Three components 1.0384, 1.0488 and 1.0507 eV of the direct exciton series (n = 1, 2, 3) in optical spectra are resolved.

The exciton binding energy and direct energy gap are estimated as 13.9 meV and 1.0523, 1.0459, 0.9795 eV at 4.2, 78, 300 K, respectively.




© 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.