WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 10 Оптическое исследование резонансных состояний в GaNxAs1-x © А.А. Гуткин¶, П.Н. Брунков, А.Г. Гладышев, Н.В. Крыжановская, Н.Н. Берт, С.Г. Конников, M. Hopkinson, A. Patan+, L. Eaves+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Department of Electronic and Electrical Engeneering, University of Sheffield, S3 3JD Sheffield, UK + School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, NG7 2RD Nottingham, UK (Получена 20 февраля 2006 г. Принята к печати 3 марта 2006 г.) Для обнаружения резонансных состояний в GaNxAs1-x предложено исследовать спектры собственной фотолюминесценции при комнатной температуре или высоких уровнях возбуждения, позволяющих заселить создаваемыми светом носителями высокоэнергетические состояния в разрешенных зонах. С помощью этих методов в объемных слоях GaNxAs1-x (x 0.015) обнаружены состояния с энергетическими уровнями в зоне проводимости. Эти уровни создают полосу с полушириной около 0.07 эВ, максимум плотности в которой при температуре 290 и 80 К находится соответственно на 1.4 и 1.48 эВ выше потолка валентной зоны. Положение этого максимума относительно валентной зоны практически не зависит от содержания азота во всем исследованном диапазоне 0.0005 x 0.015. Предполагается, что эти состояния связаны с различными кластерами атомов азота.

PACS: 78.55.Cr; 71.20.Nr Относительно небольшое содержание азота в трой- ширины запрещенной зоны GaNx As1-x, следить за их ном соединении GaNxAs1-x (x < 0.05) приводит к зна- смещением с давлением, фиксировать появление новых чительному уменьшению ширины запрещенной зоны полос при повышении давления и определять энергетиэтого материала по сравнению с GaAs [1,2]. Это об- ческое положение резонансных состояний в отсутствие стоятельство может быть использовано при создании давления, когда они находятся в зоне проводимости.

лазеров, фотодетекторов и гибридных солнечных эле- Вместе с тем возможно, что электронные состояния ментов. Одновременно с изменением ширины запре- некоторых пар атомов азота или кластеров сильно смещенной зоны в GaNx As1-x происходит также значи- шиваются с делокализованными зонными состояниями и тельная модификация зоны проводимости, приводящая при гидростатическом давлении изменяют свою энергию к увеличению эффективной массы у ее дна, сильной так же, как состояния зоны проводимости [6]. Поэтому непараболичности и появлению высокоэнергетических резонансные состояния таких дефектов, а также измеподзон при повышенных энергиях [2–4]. Кроме того, в нения зонных состояний под их влиянием не могут назоне проводимости GaNx As1-x появляются резонансные блюдаться указанным методом. Для изучения состояний состояния, связанные с парами атомов азота и, по- в зоне проводимости в этом случае можно использовать видимому, более сложными кластерами, образуемыми фотолюминесценцию при энергиях фотонов выше пика теми же атомами [4–6]. Детальное поведение этих со- собственного излучения в условиях высоких температур стояний при различных концентрациях атомов азота в и (или) высоких уровней возбуждения, когда состояния, GaNx As1-x и их влияние на свойства зоны проводимости лежащие выше дна зоны проводимости GaNx As1-x, можв настоящее время изучены недостаточно. Основным но заметно заселить электронами, создаваемыми при методом исследования резонансных состояний в зоне поглощении собственного света. Данные исследования проводимости GaNxAs1-x является низкотемпературная были проведены в настоящей работе.

фотолюминесценция (ФЛ) при высоком гидростатичеИсследуемые слои GaNxAs1-x (0 < x 0.015) толском давлении [5,6], которое приводит к увеличению щиной 1.5 мкм были получены методом молекулярноширины запрещенной зоны GaNxAs1-x. Резонансные пучковой эпитаксии на плоскости {001} подложки из состояния, связанные с азотом, при этом слабо меняют n+-GaAs, на которой предварительно был выращен слой свою энергию относительно вершины валентной зоны и AlAs толщиной 25 нм.

сдвигаются в запрещенную зону, становясь интенсивным Для измерений ФЛ при низком уровне возбуканалом рекомбинации экситонов, генерируемых при ждения использовался непрерывный Ar-лазер (длина облучении материала фотонами из собственной полосы волны 514.5 нм), обеспечивающий скорость генерации поглощения GaNxAs1-x. Это позволяет наблюдать в электронно-дырочных пар 1021 с-1 · см-2. При выспектрах фотолюминесценции полосы, обусловленные соком уровне возбуждения применялся импульсный резонансными состояниями, при энергиях фотонов ниже YAG : Nd-лазер (длина волны 532 нм) с длительностью ¶ импульса 20 нс и скважностью 1000, обеспечивающий E-mail: agut@defect.ioffe.ru скорость генерации 2 · 1023 с-1 · см-2.

Оптическое исследование резонансных состояний в GaNx As1-x статочно велико, и их рекомбинация с дырками в валентной зоне дает излучение, интенсивность которого сравнима с интенсивностью краевой ФЛ. Однако при низких температурах и слабом уровне возбуждения, как видно из рис. 1, b (кривая 2), излучение, связанное с резонансными состояниями, становится незаметным.

Вместе с тем в спектрах образца с наименьшим содержанием азота (x = 0.0005) при низкой температуре на длинноволновом спаде краевой ФЛ появляется плечо при энергиях фотонов 1.47-1.48 эВ (рис. 1, b, кривая 1). Можно предположить, что это плечо связано с теми же самыми локализованными состояниями, которые обнаруживаются в ФЛ образцов с x > 0.при комнатной температуре. В этом случае, из-за того что температурный сдвиг дна зоны проводимости при x = 0.0005 превышает сдвиг уровня локализованных состояний, последние оказываются заметно ниже дна зоны проводимости и становятся интенсивным каналом излучательной рекомбинации носителей благодаря высокой степени заполнения их электронами при низких температурах.

Связь этого излучения с состояниями, дающими в случае комнатной температуры излучение при энергиях фотонов около 1.4 эВ, подтверждается исследованиями спектров ФЛ при высоком уровне возбуждения. На рис. 2, a, b приведены спектры ФЛ образцов Рис. 1. Спектры ФЛ образцов GaNx As1-x при низком уровне возбуждения и температуре 293 K (a) и 10 K (b).

x: 1 — 0.0005, 2 — 0.007, 3 — 0.015.

На рис. 1, a, b представлены спектры ФЛ для трех образцов GaNx As1-x с различным содержанием атомов азота (0.0005 < x 0.015) при слабом уровне возбуждения. При комнатной температуре (рис. 1, a) основные пики ФЛ для всех спектров представляют краевое излучение, соответствующее ширине запрещенной зоны GaNx As1-x. Изменение энергетического положения этих пиков в зависимости от содержания азота достаточно хорошо описывается с помощью модели антипересечения зон [2]. Наряду с основным пиком в спектре образца с максимальным содержанием азота (x = 0.015) при комнатной температуре видна добавочная полоса излучения, находящаяся в области энергий фотонов около 1.4 эВ (рис. 1, a), что заметно выше соответствующего края собственного поглощения GaNx As1-x. Подобное излучение обнаруживается и в спектрах образцов с меньшим содержанием азота (x > 0.002) в виде ступеньки на коротковолновом спаде краевого излучения (см., например, рис. 1, a, кривая 2). Естественно связать эту добавочную ФЛ с рекомбинацией электронов, находящихся на связанных с комплексами атомов азота локализованных состояниях, энергетические уровни которых расположены выше дна зоны проводимости GaNx As1-x Рис. 2. Спектры ФЛ образцов GaNxAs1-x c x = 0.015 (a) и (x > 0.002). Заполнение этих состояний электронами, x = 0.007 (b) при высоком уровне возбуждения. T, K: 1 — 80, создаваемыми светом, при комнатной температуре до- 2 — 170, 3 — 290.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1194 А.А. Гуткин, П.Н. Брунков, А.Г. Гладышев, Н.В. Крыжановская, Н.Н. Берт, С.Г. Конников...

ФЛ, положение энергетических уровней этих дефектов относительно потолка валентной зоны при изменении концентрации атомов азота практически не меняется во всем исследованном диапазоне изменения содержания азота (0.0005 x 0.015), что согласуется с ранними наблюдениями [9], сделанными на GaNx As1-x с содержанием азота до x = 0.001.

Таким образом, исследование спектров собственной ФЛ при высоких температурах или значительных уровнях возбуждения, позволяющих заметно заселить создаваемыми светом носителями состояния с высокой энергией в разрешенных зонах, дает возможность изучать особенности энергетической зависимости плотности состояний в этих зонах. Применение этого метода к исследованию GaNx As1-x позволило обнаружить резонансные состояния, энергетические уровни которых Рис. 3. Зависимости положения максимумов краевого Pдля x > 0.001 находятся в зоне проводимости и дают (кривые 1, 2) и резонансного P2 (кривые 3, 4) излучения полосу шириной 0.07 эВ на расстоянии около 1.4 эВ от GaNx As1-x от температуры. x: 1, 3 — 0.015; 2, 4 — 0.007.

вершины валентной зоны при комнатной температуре.

Эти состояния могут быть отождествлены с состояниями, создаваемыми различными кластерами атомов GaNx As1-x с x = 0.015 и x = 0.007 при скорости геазота в арсениде галлия с концентрацией азота до нерации электронно-дырочных пар 2 · 1023 с-1 · см-2 5 · 1018 см-3. Независимость их энергии от концентраи различных температурах. Как видно из сопоставления ции азота согласуется с теоретическими предсказанияспектров на рис. 1, a, b и рис. 2, b, повышение уровня ми [4] и свидетельствует о слабом взаимодействии этих возбуждения привело к появлению добавочного максостояний с делокализованными состояниями кристалла симума ФЛ (P2) в спектре образца с x = 0.007 как вплоть до x = 0.015.

при комнатной, так и при низких температурах. Этот Работа выполнена с использованием оборудования же максимум наблюдается при всех температурах в регионального ЦКП „Материаловедение и диагностика образце с x = 0.015. Полуширина полосы излучения, в передовых технологиях“ и поддержана грантом Коросвязанной с этим максимумом, составляет 0.07 эВ.

левского общества Великобритании (the Royal Society Положение P2 при комнатной температуре для обоJoint Project (2004–2006) „Probing the unusual electronic их образцов близко к положению добавочного пика, properties of diluted GaInAsN alloys“).

обнаруживаемого при слабых уровнях возбуждения в образце с x = 0.015 (рис. 1, a). При температуре 80 K максимум P2 сдвигается к энергиям фотонов 1.48 эВ, Список литературы соответствующих положению плеча на длинноволновом спаде краевого излучения в спектре ФЛ образца с [1] M. Weyers, M. Sato, H. Ando. Jpn. J. Appl. Phys., 31, L853 (1992).

наименьшим содержанием азота (рис. 1, b, кривая 1).

[2] W. Shan, W. Walukiewicz, K.M. Yu, J.W. Ager III, E.E. Haller, Температурные зависимости энергетического положеJ.F. Geisz, D.J. Friedman, J.M. Olson, S.R. Kurtz, H.P. Xin, ния пиков краевой (P1) и дополнительной (P2) поC.W. Tu. Phys. Status Solidi B, 223, 75 (2001).

лос излучения, полученные из измерений на образцах [3] C. Skierbizewski, I. Gorczyca, S.P. Lepkowski, J. Lusakowski, c x = 0.015 и x = 0.007 при высоком уровне возбуждеJ. Borysiuk, J. Toivonen. Semicond. Sci. Technol., 19, ния, показаны на рис. 3.

1189 (2004).

Излучение при энергиях фотонов 1.47-1.49 эВ на[4] P.R. Kent, A. Zunger. Phys. Rev. B, 64, 115 208 (2001).

блюдалось ранее при гелиевых температурах в образцах [5] X. Liu, M.-E. Pistol, L. Samuelson. Phys. Rev. B, 42, GaNx As1-x, в которых благодаря низкому содержанию 7504 (1990).

азота (x 0.001) указанная область лежала ниже запре- [6] B.A. Weinstain, S.R. Stambach, T.M. Ritter, J.O. Maclean, D.J. Wallis. Phys. Rev. B, 68, 035 336 (2003).

щенной зоны (см. [5,7,8] и цитируемые в [8] работы).

[7] Y. Zhang, B. Fluegel, M.C. Hanna, A. Mascarenhas, Lin-Wang Отдельные пики излучения в этой области связывались Wang, Y.J. Wang, X. Wei. Phys. Rev. B, 68, 075 210 (2003).

с различными парами и более сложными кластерами, [8] Y. Zhang, A. Mascarenhas, J.F. Geisz, H.P. Xin, C.W. Tu. Phys.

образованными атомами азота [5,7,8], энергетические Rev. B, 63, 085 205 (2001).

уровни которых находились ниже дна зоны проводимо[9] H. Gruning, L. Chen, Th. Hartman, P.J. Klar, W. Heimbrodt, сти, т. е. не были резонансными. Естественно предпоF. Hohnsdorf, J. Koch, W. Stolz. Phys. Status Solidi B, 215, ложить, что наблюдаемая нами дополнительная полоса 39 (1999).

ФЛ с максимумом P2 обусловлена этими же дефектами.

Редактор Л.В. Беляков Отметим также, что, как следует из наших исследований Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Оптическое исследование резонансных состояний в GaNx As1-x Optical study of resonant states in GaNxAs1-x A.A. Gutkin, P.N. Brunkov, A.G. Gladyshev, N.V. Kryzhanovskaya, N.N. Bert, S.G. Konnikov, M. Hopkinson, A. Patan+, L. Eaves+ Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Sheffield, S3 3JD Sheffield, UK + School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, NG7 2RD Nottingham, UK

Abstract

To detect the resonant states in the conduction band of GaNxAs1-x (x 0.015) a method is proposed to investigate the intrinsic photoluminescence spectra at room temperature or high excitation levels. Under these measurement conditions it is possible to fill high energy states in allowed bands with carriers generated by light. With use of these methods it was observed that states with energy levels in conduction band of GaNx As1-x form a band with FWHMabout 0.07 eV. The maximum of this band was found at 1.4 and 1.48 eV above edge of valence band at temperatures 290 and 80 K, respectively. Its position in relation to valence band does not depend on nitrogen content in range under study 0.0005 x 0.015. It is supposed that these states are related to different nitrogen clusters.




© 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.