WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 12 Прямые оптические переходы в излучательной рекомбинации в твердых растворах InGaxAs (0 x 0.16) © М. Айдаралиев, Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев¶, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, Г.Н. Талалакин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 апреля 2001 г. Принята к печати 11 мая 2001 г.) Исследованы фотолюминесценция эпитаксиальных слоев твердого раствора InGaxAs в диапазоне составов 0 x 0.16, полученных жидкофазной эпитаксией на подложках InAs (111), и электролюминесценция p-n-переходов на их основе в интервале температур 77–450 K. Показано, что, несмотря на отрицательное несоответствие периодов решетки эпитаксиального слоя и подложки, излучательная рекомбинация в эпитаксиальных слоях определяется прямыми оптическими переходами, обеспечивающими высокий внутренний квантовый выход люминесценции (6%, 295 K).

Введение нием Mn в раствор-расплав в интервале концентраций 10-3-10-4. Использование марганца, имеющего Твердые растворы InGaxAs в диапазоне составов более низкие значения скорости диффузии и упругости 0 x 0.2 могут быть использованы для создания пара по сравнению с традиционно используемыми в оптоэлектронных приборов, излучающих в спектральAIIIBV акцепторными примесями — цинком и кадмием, ной области 2.5–3.8 мкм. В ряде работ [1–7] исследовапозволяло точнее контролировать уровень легирования лись структурные и люминесцентные свойства твердых и положение p-n-перехода в структуре. Энергия акрастворов InGaAs, выращенных методом жидкофазной тивации акцепторного уровня Mn в твердом растворе эпитаксии (ЖФЭ) на подложках InAs, с составами, InGaxAs в интервале составов 0 x 0.2 составляет близкими к InAs. Для гетероструктур InGaAs/InAs около 20 мэВ, и с дальнейшим увеличением x энергия с отрицательным несоответствием периодов решетки активации марганца возрастает [3]. Эпитаксиальные эпитаксиального слоя и подложки (sub > epi) хаслои n-типа специально не легировались и имели конрактерно проявление нестабильности на гетерогранице, центрацию носителей n 1 2·1017 см-3, концентрация приводящее к ”островковому” росту слоя и образованию дырок в p-слоях составляла 1016-1017 см-3. Толщина кластеров [8]. Последнее может приводить к нарушеслоя InGaAs составляла 5–10 мкм. Градиент ширины нию закона сохранения волнового вектора и соответзапрещенной зоны по толщине эпитаксиального слоя ственно к излучательной рекомбинации, определяемой твердого раствора отсутствовал [1].

непрямыми оптическими переходами [9]. Поскольку для Спектры фотолюминесценции (T=77 K) измерялись получения эффективных светодиодов (СД) и лазеров нев геометрии ”на отражение” (возбуждение и региобходимо использовать полупроводниковые материалы страция излучения осуществолялись с поверхности с прямыми оптическими переходами, обеспечивающими слоя твердого раствора). Источником возбуждения слувысокий квантовый выход люминесценции, представляжил полупроводниковый лазер ЛПИ-14 ( = 0.8мкм, ется важным выяснить, выполняется ли закон сохранения Ppulse 50 Вт). Для измерения электролюминесценции волнового вектора в системе InAs/InGaAs.

(ЭЛ) чипы светодиодов толщиной 100 мкм монтироЦель данной работы состояла в выяснении роли прявались p-подложкой вниз на корпус ТО-18. При этом мых оптических переходов в излучательной рекомбинаподача напряжения на СД осуществлялась через золотую ции в эпитаксиальных слоях твердых растворов InGaxAs подковообразную контактную площадку, расположенную (0 x 0.16) и p-n-структурах на их основе в диана поверхности чипа рядом с катодом (рис. 1 [14]), пазоне температур 77–450 K, полученных жидкофазной что создавало отсутствие линий тока вблизи нерабочей эпитаксией на подложках InAs (111).

поверхности p-InAs.

Изучаемые объекты Экспериментальные результаты и методики исследования и их обсуждение Объектом исследования служили гетероструктуры На рис. 1 представлены спектры фотолюминесценInGaAs/InAs, полученные методом ЖФЭ на подложции (ФЛ) эпитаксиальных слоев n-типа InGa0.05As ках p-InAs (111). p-n-Переходы создавались введеи InGa0.16As (77 K). Положение максимума и коротко¶ волновое крыло спектров хорошо описываются в предE-mail: bmat@iropt3ioffe.rssi.ru Fax: +7(812)2474324 положении прямых переходов зона–зона, сферических 1432 М. Айдаралиев, Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный электронов излучательная рекомбинация происходит в p-области p-n-перехода, поэтому обработка спектров ведется в предположении прямых переходов электронов из зоны проводимости на акцепторный уровень марганца.

Коротковолновые спады спектров описываются зависимостью I exp(-h/kT ), характерной для прямых переходов. Полуширина спектров возрастает с увеличением температуры от 20 мэВ (77 K) до 40 мэВ (450 K). При оптических переходах с сохранением волнового вектора энергия перехода из зоны проводимости на акцепторный уровень должна быть меньше энергии максимума ЭЛ (hmax) на величину kT /2, а ее температурная зависимость повторяет температурную зависимость ширины запрещенной зоны (следствие соотношения (1)). Температурные зависимости hmax и hmax - kT /2 представлены на рис. 3. Действительно, наклон зависимости Рис. 1. Спектры ФЛ эпитаксиальных слоев n-типа d(hmax - kT /2)/dT = 3.8 · 10-4 эВ/К практически InGa0.05As (1) и InGa0.16As (2), T = 77 K.

совпадает с температурным изменением ширины запрещенной зоны ближайшего аналога твердого раствора:

Рис. 2. Спектры ЭЛ светодиода InAs/InGa0.05As. Температура, K: 1 — 450, 2 — 370, 3 — 295, 4 — 160, 5 — 77.

Рис. 3. Температурные зависимости энергии максимума спектра ЭЛ hmax (1) и hmax-kT /2 (2) светодиода InAs/InGa0.05As.

изоэнергетических поверхностей и термализованных неосновных носителей (штриховая прямая) [5]:

me 2 me E I(E) Eg + 1 + E E exp mh mh kT -E - exp + 1, (1) kT где E — энергия электрона, отсчитанная от дна зоны проводимости, me = 0.03m0, mh = 0.4m0 — эффективные массы электронов и тяжелых дырок, = 30 мэВ — уровень Ферми для электронов при n =(1-2) · 1017 см-3. Значение Eg, полученное из обработки спектров, хорошо соответствует интерполяции Eg(x) =0.42 + 0.63x + 0.45x2 [6].

На рис. 2 приведены спектры ЭЛ светодиодов на Рис. 4. Энергии максимума спектров ФЛ эпитаксиальных основе p-n-переходов в InGa0.05As в интервале тем- слоев InGaxAs, x: 1 — 0.054, 2 — 0.06, 3 — 0.12, 4 — 0.16;

ператур 77–450 K. Вследствие высокой подвижности 5 —Eg, 6 – h - kT /2 (x = 0.12).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Прямые оптические переходы в излучательной рекомбинации в твердых растворах... Список литературы [1] Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, Н.М. Стусь, Г.Н. Талалакин, Ю.Ю. Билинец. ФТП, 21 (6), 1079 (1987).

[2] М. Айдаралиев, Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Н.М. Стусь.

ФТП, 23 (4), 592 (1989).

[3] N.V. Zotova, S.A. Karandashov, B.A. Matveev, N.M. Stus’, G.N. Talalakin. Cryst. Properties and Preparation, 12, (1987).

[4] М. Айдаралиев, Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, Г.Н. Талалакин. ФТП, 34 (1), 102 (2000).

[5] A. Mooradian, H.Y. Fan. Phys. Rev., 148 (2), 875 (1996).

[6] G.B. Stringfellow, P.E. Greene. J. Electrochem. Soc., 118 (5), 805 (1971).

[7] O. Madelung. Physics of III–V Compounds (John Wiley & Sons, N.Y.–London–Sydney, 1964).

Рис. 5. Ватт-амперная характеристика и спектр излучения [8] M.G. Astles, O.D. Dosse, A.J. Machelan, P.J. Wright. J. Cryst.

(вставка) светодиода InAs/InGa0.05As (295 K). Длительность Growth, 54 (3), 485 (1981).

импульсов 5 мкс, частота 500 Гц.

[9] Z.M. Fang, K.J. Ma, D.H. Jaw, R.M. Cohen, G.B. Stringfellow.

J. Appl. Phys., 67 (11), 7034 (1990).

Редактор Л.В. Беляков InAs (dEg/dT = 3.8 · 10-4 эВ/К [7]). Интенсивность ЭЛ уменьшается в 70 раз с повышением температуры от Direct optical transitions in radiative до 300 K, что сравнимо с уменьшением интенсивности recombination in InGaxAs (0 x 0.16) люминесценции бинарного соединения InAs [9].

solid solutions На рис. 4 приведены значения энергий максимумов спектров ЭЛ слоев InGaxAs для составов x = 0.054, M. Aydaraliev, N.V. Zotova, S.A. Karandashov, 0.06, 0.12, 0.16 (77, 295 K). При увеличении температуры B.A. Matveev, M.A. Remennyi, N.M. Stus’, G.N. Talalakin от 77 до 295 K сдвиг энергии максимумов ЭЛ имеет одинаковую величину, а зависимость h - kT /2 (рис. 4, Ioffe Physicotechnical Institute, прямая 6) имеет тот же наклон, что и температурная Russian Academy of Sciences, зависимость ширины запрещенной зоны InAs (рис. 4, 194021 St.Petersburg, Russia прямая 5).

На рис. 5 приведены ватт-амперная характеристика

Abstract

Photoluminescence og InGaxAs epilayers within и спектр излучения СД на основе гетероструктуры 0 x 0.16 composition range, the LPE growth on InAs (111) p-InAs/InGa0.05As (max = 3.3мкм) при комнатной темsubstrates, and electroluminescence of p-n-junctions on their basis пературе. Значения мощности на линейном участке ватт- in the temperature range 77–450 K are investigated. It has been амперной характеристики (до 1A) соответствуют shown, that despite the negative mismatch of the epilayer and substrate lattice constant, the radiation recombination in epilayers значениям внешнего и внутреннего квантового выхода is determined by direct optical transitions ensuring high internal 0.08% и 6% соответственно.

quantum yield of luminescence (6% at 295 K).

Заключение Совпадение расчетных и экспериментальнх кривых спектров ФЛ эпитаксиальных слоев n-типа InGa0.05As и InGa0.16As (77 K), совпадение наклонов температурных зависимостей энергии перехода и ширины запрещенной зоны в светодиодах на основе InG0.05As в интервале температур 77–450 K и в СД на основе InGaxAs для составов x = 0.054, 0.06, 0.12, 0.16 (77, 295 K), а также высокий внутренний квантовый выход люминесценции свидетельствуют о том, что в твердых растворах InGaxAs механизм излучательных переходов подчиняется закону сохранения волнового вектора и не изменяется в интервале составов 0 x 0.16 и диапазоне температур 77-450 K.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, 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.