WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Зависимость энергии активации A(+)-центров от ширины квантовых ям в структурах GaAs/AlGaAs © Ю.Л. Иванов, П.В. Петров, А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 декабря 2002 г. Принята к печати 17 декабря 2002 г.) Проведены люминесцентные измерения структур с несколькими квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, содержащими A(+)-центры, при разных ширинах квантовых ям с целью определения зависимости энергии активации A(+)-центров от ширины квантовых ям. Показано, что с уменьшением ширины ям энергия активации A(+)-центров значительно возрастает, причем в ямах шириной 10 нм энергия активации в 10 раз больше, чем в объемном материале. Замечено, что энергия активации A(+)-центров зависит от их концентрации.

Вряде работ [1–3] начато исследование положительно ям со стороны подложки и поверхности выращивались заряженных акцепторов, так называемых A(+)-центров, слои AlGaAs толщиной 100 и 250 нм соответственно.

в квантовых ямах на основе GaAs/AlGaAs. С помощью Для создания стационарных A(+)-центров в квантовых измерений эффекта Холла [1] и низкотемпературного ямах был применен метод так называемого двойного прыжкового транспорта по A(+)-зоне [2] были опре- селективного легирования [4] (одновременного легироделены энергетическое положение и боровский радиус вания квантовых ям и барьеров). При этом в центре A(+)-центров. Оказалось, что при ширине квантовых ям легировался слой шириной 2 нм, в центре берьеям 15 нм энергия активации A(+)-центров значитель- ров легировался слой шириной 3 нм, а в барьерах но больше, чем в объемном материале. В работе [3] у краев первой и последней ям легировались слои исследовались люминесцентные свойства A(+)-цент- толщиной 1.5 нм. Основываясь на данных холловских ров. Показано, что линия люминесценции, связанная измерений объемных концентраций дырок в образцах с A(+)-центрами, является результатом излучательнос GaAs: Be и Al0.35Ga0.65As : Be, можно утверждать, что го перехода неравновесных электронов на A(+)-центр, такая геометрия легирования обеспечивает примерное подобно тому, как происходит излучательный захват равенство концентраций примесных центров в ямах неравновесных электронов обычным акцепторным цени барьерах. Это приводит к заполнению примесных тром. Это обстоятельство позволяет использовать данцентров в ямах дырками с примесных центров в барьеные люминесцентного анализа для определения энергии рах, т. е. к образованию A(+)-центров. Однако, согласно активации A(+)-центров.

работе [5], при таком методе легирования в квантовых В данной работе проведен люминесцентный анализ ямах сохраняется вероятность нахождения некоторого структур с A(+)-центрами для квантовых ям различной количества незаполненных A(0)-центров.

ширины с целью более подробного изучения зависимоДля возбуждения фотолюминесценции использовался сти величины энергии активации A(+)-центров от ширигелий-неоновый лазер ЛГН-215. Образцы погружались ны квантовых ям.

непосредственно в жидкий гелий. Подведение света накачки к образцу и измерения люминесценции производились посредством стеклянного световода, обеспечиваю1. Постановка эксперимента щего максимальную плотность возбуждающего света пои обработка результатов рядка 10 мВт/мм2. Излучение образцов анализировалось спектрометром ДФС-12 с помощью фотоумножителя Образцы, исследуемые в данной работе, были выФЭУ-62, охлаждаемого парами азота. Запись спектров ращены на установке молекулярно-пучковой эпитаксии осуществлялась в режиме счета фотонов.

ЭП-1203 на сингулярной поверхности (001) полуизоОбычный спектр фотолюминесценции исследуемых лирующих подложек GaAs. Рост структуры происходил структур содержит два пика: пик, соответствующий при постоянной температуре подложки, равной 580C.

Скорости роста для слоев GaAs и Al0.35Ga0.65As со- излучению с A(+)-центра, и пик рекомбинации экситона, связанного на нейтральном акцепторе. Иногда можно ставляли соответственно 0.2 и 0.3 нм/с. Во время роста структуры осуществлялось селективное легиро- заметить пик свободного экситона. Зависимости величины первых двух пиков от интенсивности накачки вание бериллием с объемной концентрацией дырок в GaAs 1017 см-3. Каждый экспериментальный обра- являются линейными. Оба этих пика достаточно широки, зец представлял собой набор из 10 квантовых ям от 2–3 до 10 мэВ. Ширина пика возрастает с уменьшеGaAs, разделенных барьером 20 нм AlGaAs. Ширина нием размера квантовой ямы, что можно объяснить как ям варьировалась от 7 до 18 нм. Кроме того, для ростом относительной флуктуации ширины квантовых лучшего ограничения носителей в области квантовых ям, так и тем, что в узких ямах начинает сказываться Зависимость энергии активации A(+)-центров от ширины квантовых ям в структурах GaAs/AlGaAs Рис. 1. Пример разложения спектра на его гауссовые составляющие. Цифрами указаны: 1 — пик рекомбинации на A(+)-центре, 2 — пик связанного экситона, 3 — пик свободного экситона.

зависимость энергии активации от положения центра в яме. В связи с этим возникла проблема различения пиков в случае, когда расстояние по энергии между ними сравнимо с их полушириной. Для установления точного положения пиков люминесценции, как связанных с A(+)-центрами, так и экситонных, полученные спектры сначала сглаживались с помощью фильтрации, основанной на быстром преобразовании Фурье. Затем параметры гауссовских пиков уточнялись последовательными итерациями по методу наименьших квадратов. Один из примеров такой обработки представлен Рис. 2. Спектры фотолюминесценции образца F-335, с ширина рис. 1. На нем представлен спектр образца с шириной ной ямы 70 (a) и образца F-338, с шириной ямы 180 (b), квантовых ям 18 нм, измеренный при температуре 24 K.

измеренные при температурах, указанных на рисунках.

Видно, что в результате проделанной операции положеBE — связанный экситон, FE — свободный экситон.

ния пиков определяются с большей точностью.

Согласно работе [3], в узких ямах шириной 10–15 нм энергия перехода свободный электрон –A(+)-центр меньше, чем энергия высвечивания связанного экситона. Энергия активации A(+)-центра большая, вслед ствие большего влияния ограничивающего действия ширины ямы на волновую функцию A(+)-центра. Вместе с тем в объемном материале наоборот — энергия перехода свободный электрон –A(+)-центр больше, чем энергия высвечивания связанного экситона. (Энергия активации A(+)-центра мала). Поэтому при увеличении ширины квантовых ям эти пики сближаются и в широких ямах энергия перехода свободный электрон –A(+)-центр становится больше, чем энергия высвечивания связанного экситона. Для идентификации этих пиков кроме применения гауссовских разложений, описанных выше, проводилось определение температурной зависимости интенсивности соответствующих пиков. Метод основан на том, что с поРис. 3. Зависимость энергии активации A(+)-центра от ширивышением температуры пик связанного экситона быстро ны квантовой ямы (1); 2 — данные работы [3], в которой исисчезает благодаря малой его энергии связи с нейтральпользованы образцы с большей концентрацией A(+)-центров.

ным центром, тогда как интенсивность излучательных Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1116 Ю.Л. Иванов, П.В. Петров, А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов переходов свободный электрон –A(+)-центр уменьша- работе объемная концентрация A(+)-центров величиется слабо. Сказанное иллюстрируется рис. 2 для случая ной 1017 см-3 может не отвечать требованию достаточно „узкой“ (рис. 2, a) и „широкой“ ямы (рис. 2, b). На рисун- малой концентрации, при которой энергия активации ке хорошо видно, что тогда как в „узких“ ямах с повыше- A(+)-центров не зависит от концентрации. Эти вопросы требуют дальнейшего исследования.

нием температуры исчезает правое крыло общего пика, в „широких“ ямах с повышением температуры исчезает Работа была выполнена при поддержке левое крыло.

Российского фонда фундаментальных исследований Значение энергии активации A(+)-центра определя(грант № 01-02-17912) и программы „Оптические и нелось путем суммирования разницы энергии между пилинейно-оптические свойства наноструктур“, контракт ками излучения A(+) и связанного экситона с энерги№ 40.072.1.1.1175.

ей связи экситона на нейтральном акцепторе, известной из литературных данных. Результаты представлены Список литературы на рис. 3. Видно, что по мере уменьшения ширины квантовых ям энергия активации A(+)-центров, полученая [1] Н.В. Агринская, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, Д.А. Полосиз люминесцентных измерений, возрастает.

кин. ФТП, 35, 571 (2001).

[2] Н.В. Агринская, В.И. Козуб, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, А.В. Черняев, Д.В. Шамшур. ЖЭТФ, 120, 1 (2001).

2. Обсуждение результатов [3] Ю.Л. Иванов, Н.В. Агринская, П.В. Петров, В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин. ФТП, 36, 993 (2002).

Можно отметить несколько результатов данной ра- [4] S. Huant, S.P. Najda, B. Etienne. Phys. Rev. Lett., 65, 1486 (1990).

боты.

[5] D. Larsen. Phys. Rev. B, 47, 16 333 (1993).

Первый заключается в том, что, действительно, энер[6] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства гия активации, определенная методом фотолюминесценлегированных полупроводников (М., Наука, 1979).

ции, в квантовых ямах исследуемой ширины оказываРедактор Т.А. Полянская ется во много раз больше, чем в объемном материале GaAs [6]. Этот факт, отмеченный еще в работе [1], связан с большим радиусом локализации A(+)-центра, Dependence of A(+) centers binding сравнимым с шириной квантовой ямы и испытывающим energy on QW width of GaAs/AlGaAs сильное ограничивающее ее действие.

structures Вторым результатом следует считать то, что при Yu.L. Ivanov, P.V. Petrov, A.A. Tonkikh, G.E. Zyrlin, уменьшении ширины ямы ее ограничивающее действие V.M. Ustinov на волновую функцию A(+)-центра увеличивается, что приводит к возрастанию его энергии активации. В рабоIoffe Physicotechnical Institute, те [2] оценен радиус локализации A(+)-центра в кванRussian Academy of Sciences, товой яме шириной 15 нм, оказавшийся равным 11 нм.

194021 St. Petersburg, Russia Именно при таких значениях ширин квантовых ям наблюдается сильный рост энергии активации в иссле

Abstract

Luminescence measurements of structures of дуемых образцах (рис. 3).

GaAs/AlGaAs multiple of quantum wells with A(+) centers have Наконец, третьим результатом можно считать been carried out for determination dependence of the binding факт обнаруженной зависимости энергии активации energy on QW width. It is shown that the binding energy A(+)-центров, измеряемой методом фотолюминенсценof A(+) centers in a QW is larger than in bulk material, increasing ции, от их концентрации. На рис. 3 представлены данные with decreasing of the QW width. The energy in 10 nm QW измерений энергии активации, полученные в работе [3], becames 10 times as much as in bulk material. It has been found в которой использовались образцы с большей концентра- that the binding energy of the A(+) centers depends on their цией A(+)-центров, равной (4-6) · 1017 см-3. Как видно, concentration.

в таких образцах определенная методом фотолюминесценции энергия активации A(+)-центров оказалась большей, чем для образцов с концентрацией 1017 см-3.

Причины возрастания энергии активации A(+)-центров при большем легировании пока полностью не ясны.

Возможно, это связано с флуктуациями потенциала (изрезанностью краев зон) вследствие заряженности A(+)-центров в ямах. Возможно также, что в увеличении энергии активации A(+)-центров при больших их концентрациях играет роль вторая зона Хаббарда как целое. Следует заметить, что выбранная в настоящей Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, 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.