WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Экситонная рекомбинация около края подвижности в CdSe/ZnSe-наноструктурах ¶ © М.Я. Валах, М.П. Лисица, В.В. Стрельчук, Н.В. Вуйчик, С.В. Иванов, А.А. Торопов, Т.В. Шубина, П.С. Копьев Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 марта 2003 г. Принята к печати 18 марта 2003 г.) Проведены исследования низкотемпературной фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света в CdSe/ZnSe-наноструктурах с единичными CdSe-вставками номинальной толщиной 1.5 и 3.0 монослоя.

Энергетическое положение полосы излучения определяется эффектом интердиффузии Cd и Zn в области вставки, а ее форма — сильным взаимодействием локализованных экситонов с оптическими фононами твердого раствора Zn1-x CdxSe-вставки. Заметную роль играют и многофононные процессы релаксации экситонов, в том числе с участием акустических фононов краев зоны Бриллюэна. Полученные результаты интерпретированы в рамках модели эффективного экситонного края подвижности.

1. Введение обычно с „микроскопической“ природой разупорядочения, авторы работы [5] наблюдали плавный переход (несколько мэВ) между этими состояниями. Возможная Когерентно-напряженные гетероструктуры CdSe/ZnSe причина этого могла заключаться в существовании в реинтенсивно исследуются в последние годы ввиду альном кристалле макроскопических неоднородностей.

их перспективности для создания оптоэлектронных В результате край подвижности может быть заметно приборов видимого диапазона. Система CdSe/ZnSe „уширен“. Во-вторых, модель Мотта–Андерсона предпопо отличию ширин запрещенных зон ( 1эВ) и лагает бесконечное время жизни возбуждений, тогда как несоответствию параметров решетки компонентов время жизни экситонов в прямозонных полупроводниках ( 7%) подобна хорошо изученной гетероструктуре порядка 1 нс и меньше. При селективном возбуждении InAs/GaAs. Поэтому первоначально предполагалось, что при толщине осаждаемого эпислоя CdSe, близ- экситоны рождаются с вполне определенной энергией, а кой к критической (3.0-3.5 монослоев — МС), об- затем диффундируют по спектру, вследствие чего может возникать „эффективный“ край подвижности, выше коразование 3D островков будет происходить по меторого оказывается возможным движение экситона на ханизму Странского–Крастанова, аналогично системе временах, порядка времени его жизни. Поэтому нет InAs/GaAs [1–3]. Однако электронно-микроскопические оснований ожидать, что такой „край“ будет резким исследования показали, что зародышеобразование нано(неуширенным).

островков (преимущественно двумерной природы) наЭкситонные состояния вблизи края подвижности чинается при значительно меньших толщинах эпислоя определяют эффективность переноса фотовозбуждений CdSe (0.6-0.7МС) [4]. Поэтому уже при столь малых и выяснение их природы имеет важное значение. Только номинальных толщинах осаждаемого слоя в области „горячие“ экситоны подвижны и могут участвовать в CdSe-вставки возможно возникновение структурного и эффективном переносе возбуждения. Родившись с энеркомпозиционного разупорядочения и, как следствие, гией выше края подвижности, они находятся в делокаслучайных флуктуаций потенциала. Последнее может лизованном состоянии, однако, оказавшись поблизости приводить к пространственной локализации энергетичелокальных флуктуаций потенциала различной природы, ских уровней.

быстро термализуются на этих флуктуациях с излучениПроцессы релаксации локализованных экситонов прием фонона. Локализованные экситоны более стабильны нято интерпретировать на основе модели экситона, наи их динамика определяется процессом прыжкового ходящегося в случайном потенциале [5]. В этой модели переноса. Они распадаются с излучением фотона с используется выдвинутая Моттом и Андерсоном [6] энергией, определяемой локальными уровнями. Поэтому концепция „края подвижности“ — энергии, разделялюминесценция наблюдается при энергиях, меньших ющей локализованные и делокализованные экситонэнергии края подвижности, т. е. спектральная диффуные состояния. При интерпретации экспериментальных зия происходит достаточно быстро. При возбуждении результатов, полученных для смешанных кристаллов же экситона с энергией меньше края подвижности он CdSxSe1-x [5], было использовано два подхода на основе распадается в том же состоянии (и в той же области модели Мотта–Андерсона [5,7]. Связано это с тем, пространства), что и родился. В результате имеет место что вместо резкого края подвижности, связываемого сужение линии флуоресценции, проявляющееся и в ¶ E-mail: valakh@isp.kiev.ua более узких LO-фононных спутниках. Такое различие Экситонная рекомбинация около края подвижности в CdSe/ZnSe-наноструктурах экситон-фононного взаимодействия в случае локализованных и делокализованных состояний объясняется тем, что делокализованный экситон не остается на одном месте достаточно долго для того, чтобы „почувствовать“ изменение решетки, вызванное фононом, и поэтому он слабее взаимодействует с ними, чем локализованный экситон.

В данной работе представлены оптические исследования наноструктур CdSe/ZnSe с номинальными толщинами CdSe-вставок 1.5 и 3.0 МС, подтверждающие, что в процессе самоорганизованного роста наноостровков возникают локальные флуктуации потенциала, которые пространственно модулируют запрещенную зону (Eg) в „макроскопическом“ масштабе, соразмерном с длиной диффузии экситона. Это может служить подтверждениРис. 1. Спектр ФЛ наноструктуры CdSe/ZnSe с номинальной ем того, что наноостровки имеют размеры, близкие к толщиной вставки CdSe 1.5 МС при возбуждении с энергией соответствующему экситонному радиусу Бора.

кванта 2.882 эВ (пунктирная линия) и спектр возбуждения люминесценции при Edet = 2.547 эВ. T = 5K.

2. Методика исследований Все исследованные образцы были выращены методом аналогии с ситуацией для квантовых точек (КТ) соедиэпитаксии с повышенной миграцией атомов на подложке нений AIIIBV [13]. В последнем случае исходили из того, GaAs (001) при температуре 280C [8]. Толщина буферчто спектр плотности состояний в КТ подобен атомному ного и защитного слоев ZnSe составляла 80 и 20 нм (имеет -образную форму) и отсутствует транспорт межсоответственно. Между ними располагались единичные ду соседними КТ. При такой интерпретации предполагавставки CdSe, номинальные толщины которых составляется, что более низкоэнергетический пик HH0 в СВЛ ли 1.5 и 3.0 МС и задавались числом циклов эпитаксии маскируется интенсивной ФЛ. В таком случае величина (0.3 монослоя в каждом цикле) при 135 с прерывания (HH0-LH0)-расщепления для исследованного образца после каждого цикла.

должна не превышать 23 мэВ (даже в отсутствие стокСпектры фотолюминесценции (ФЛ) и комбинационносового сдвига). Однако с позиции сегодняшних сведений го рассеяния света (КРС) при 300 и 5 K регистрировао реальной форме и размерах островков в CdSe/ZnSeлись на двойном спектрометре ДФС-24 с системой счета наноструктурах, полученных по технологии, использофотонов. Для возбуждения использовались дискретные ванной и в данной работе, мы склонны интерпретиролинии излучения Ar+-лазера. Часть спектров ФЛ возвать пик 2.59 эВ как HH0-переход. Действительно, исслебуждались Xe-лампой. Точность определения спектраль- дования на просвечивающем электронном микроскопе ного положения регистрируемых линий обеспечивалась (ПЭМ) показали, что форма наноостровков далека от одновременной регистрацией плазменных линий лазера сферической и может быть аппроксимирована плоским и была не хуже 0.3 см-1. При записи низкотемператур- диском с отношением диаметра к высоте в диапазоне ных спектров ФЛ спектральное разрешение составля- от 5–10 до 1. В таком случае (HH0-LH0)-расщепление ло 0.12 мэВ. определяется не только разницей энергий квантования за счет отличия эффективных масс, но и влиянием упругих напряжений, обусловливающих не изотропную, 3. Результаты и обсуждение а преимущественно одноосную деформацию островков.

Соответствующая оценка для предельного случая одноНа рис. 1 приведен низкотемпературный (5K) спектр родной псевдоморфной квантовой ямы Zn1-xCdx Se дает ФЛ (пунктирная линия) при энергии кванта возбуждения величину расщепления порядка 100 мэВ при содержа2.882 эВ и спектр возбуждения люминесценции (СВЛ) нии Cd в твердом растворе x = 0.3-0.4, который, как при детектировании с Edet = 2.547 эВ для наноструктуры будет показано далее, реализуется для исследуемого с номинальной толщиной вставки CdSe 1.5 МС. Спектр образца 1.5 МС. Для реальной формы наноостровков ФЛ состоит из одной неоднородно уширенной полосы данная оценка может быть несколько завышенной, но в излучения 2.567 эВ полушириной 25 мэВ с крылом со любом случае величина расщепления, вероятно, должна стороны низких энергий. Она соответствует экситоннозаметно превышать приведенное выше значение 23 мэВ.

му излучению вставки. Положение ее максимума согла- В таком случае последнее характеризует стоксов сдвиг, суется с данными работ [9–11]. Что касается СВЛ, то а полосу 2.662 эВ в СВЛ следует интерпретировать как ближайший к полосе ФЛ высокоэнергетический пик (в LH0-переход. Уширение LH0-полосы отражает возможнашем случае 2.59 эВ) ранее связывался [11,12] с эк- ные флуктуации формы островков и (или) неоднородные ситонным переходом с участием легкой дырки (LH0) по напряжения.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1376 М.Я. Валах, М.П. Лисица, В.В. Стрельчук, Н.В. Вуйчик...

высокоэнергетическую сторону, и образуется относительно узкое ( 13 мэВ) распределение экситонов ниже эффективного края подвижности, который в структуре с такой толщиной вставки CdSe локализован в районе 2.67 эВ [11]. Интенсивность ФЛ при резонансном возбуждении достаточно высока. Такие особенности спектра связаны с тем, что при возбуждении ниже экситонного края подвижности интенсивность и форма полосы излучения существенно зависят от энергии кванта возбуждения. Как отмечалось выше, это обусловлено селективным заполнением локализованных экситонных состояний и процессом быстрой их рекомбинации преимущественно с участием оптических фононов без заметного влияния эффекта спектральной диффузии. Наблюдаемые при этом особенности в области максимума Рис. 2. Спектры ФЛ структуры CdSe/ZnSe с номинальной ФЛ представляют собой группу относительно узких толщиной вставки CdSe 1.5 МС при резонансном возбужделиний, отстоящих от энергии возбуждающего кванта нии в область экситонного перехода HH0 (Eexc = 2.602 эВ, на 30.8, 29.3, 27.8, 25.8, 23.7 мэВ (на рисунке они P 0.5Вт/см2) и возбуждении в область поглощения ZnSe отмечены стрелками). Структура весьма чувствительна матрицы (2.882 эВ) (пунктирная линия). T = 5 K. Спектральк температуре измерений и практически сглаживается ное разрешение 0.12 мэВ. Верхняя шкала отвечает энергии длинноволнового сдвига кривой 1 относительно энергии кван- при T 10 K. Эта структура может характеризовать та возбуждающего излучения.

наиболее актуальные для данного образца оптические фононы, с участием которых реализуется быстрый эфВ СВЛ также присутствуют два интенсивных пика при 2.803 и 2.82 эВ, связанных с барьерными слоями ZnSe. Они могут соответствовать экситонным переходам с участием легкой и тяжелой дырок или одному типу перехода от верхнего и нижнего барьеров, разнящихся напряжениями. В любом случае наблюдаемое расщепление ( 17 мэВ) свидетельствует о наличии в барьерных слоях значительных упругих напряжений. Еще более высокоэнергетические две небольшие особенности в СВЛ могут соответствовать спин-отщепленным экситонным переходам.

Исследования динамики излучения селективно-возбуждаемых CdSe/ZnSe-сверхрешеток с субмонослойными толщинами CdSe-вставки, опубликованные ранее [14], показали, что во временном интервале до 25–30 пс доминируют процессы релаксации электронных возбуждений с участием LO-фононов, а при больших временах наблюдалось уширение полосы излучения со стороны низких энергий и смещение ее максимума в низкоэнергетическую сторону, что связывалось с процессами спектральной диффузии возбуждений с участием акустических фононов. В нашем случае стационарных измерений спектр ФЛ существенно зависит от условий возбуждения.

На рис. 2 (кривая 1) приведен спектр ФЛ (5K) Рис. 3. Композиционная зависимость частоты оптических образца 1.5 MC при резонансном возбуждении нанофононов центра зоны Бриллюэна Zn1-x CdxSe. Сплошные лиостровков квантом с энергией 2.602 эВ, несколько прении — данные работы [18]. Левая шкала соответствует экспевышающей максимум СВЛ, соответствующий экситонриментальным значениям диапазона энергий оптических фоному переходу HH0. Для сравнения пунктирной линией нонов, полученного из спектров резонансной ФЛ (см. рис. 2).

(кривая 2) приведен спектр ФЛ при нерезонансном Штриховая область соответствует сопоставлению эксперименвозбуждении (Eexc = 2.882 эВ). Видно, что в резонанс- тально полученных значений энергии фононов и концентрации ном случае максимум излучения несколько смещен в Cd в Zn1-x CdxSe. T = 5K.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Экситонная рекомбинация около края подвижности в CdSe/ZnSe-наноструктурах фективный за счет резонанса [14–16] канал излучательной рекомбинации. Присутствие в обсуждаемом спектре ФЛ некоторого уширения основания полосы излучения может свидетельствовать о заметной роли многофононных механизмов релаксации, в том числе и с участием акустических фононов краев зоны Бриллюэна [11,17].

Отсутствие в спектре ФЛ энергетического пика, соответствующего LO-фонону матрицы ZnSe, подтверждает доминирующую роль в процессах экситонной рекомбинации фононов ZnCdSe-вставки и свидетельствует о том, что как основное, так и возбужденное состояние островков преимущественно локализованы внутри вставки.

Используя отмеченные выше значения энергий оптических фононов, мы оценили диапазон изменения компонентного состава твердого раствора Zn1-x CdxSe в областях вставки. На рис. 3 приведена известная компонентная зависимость частот оптических фононов для твердого раствора Zn1-xCdx Se [18,19] и отмечен диапазон энергий оптических фононов, проявившихся в резонансной ФЛ. Видно, что ширина LO-TO-фононной подзоны соответствует концентрации Cd в интервале x 22-58%. Полученные значения x могут быть как завышенными вследствие влияния эффекта размерного Рис. 4. Спектры ФЛ (5K) наноструктуры CdSe/ZnSe с ноограничения и вклада интерфейсных колебаний, так и минальной толщиной вставки CdSe 3.0 МС при различных заниженными, если доминирует эффект сжатия вставки.

энергиях возбуждения.

В любом случае определенный диапазон не противоречит значениям, оцененным в работах [20–21], подтверждая еще раз существенную роль возможных процессов интердиффузии и сегрегации Cd и Zn в процессе роста Иная ситуация имеет место при переходе к резонансу структуры.

Pages:     || 2 |



© 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.