WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 12 Фотолюминесценция твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y (0.08 < x < 0.22), изопериодных с InAs © К.Д. Моисеев, А.А. Торопов, Я.В. Терентьев, М.П. Михайлова, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 16 июня 2000 г. Принята к печати 21 июня 2000 г.) Впервые исследована фотолюминесценция эпитаксиальных слоев Ga1-xInxAsySb1-y в интервале составов, соответствующем 0.08 < x < 0.22, изопериодных с подложкой InAs, при T = 80 K, и экспериментально оценена ширина запрещенной зоны твердых растворов. Показано, что для нелегированных слоев p-GaInAsSb интенсивность межзоннoй излучательной рекомбинации зависит от состава четверного твердого рaствора и определяется концентрацией природных структурных дефектов. Для легированных донорной примесью Te слоев n-GaInAsSb в спектрах фотолюминесценции наряду с межзонной рекомбинационной полосой наблюдалась полоса излучения, связанная с излучательными рекомбинационными переходами на глубокий акцепторный уровень, образованный природным комплексом VGaTe с энергией активации EDA = 122 мэВ.

В последние годы узкозонные гетероструктуры в си- T = 77 K, обусловленная непрямой туннельной излучастеме твердых растворов GaSb–InAs активно исследу- тельной рекомбинацией через гетерограницу электронов ются как перспективные материалы для создания опто- и дырок, локализованных на гетерогранице [10]. Однако электронных приборов, работающих в спектральном фотолюминесцентные свойства таких эпитаксиальных диапазоне 3–5 мкм [1–3]. Наиболее известными при- слоев Ga1-xInxAsySb1-y ранее не исследовались.

менениями таких приборов являются диодно-лазерная Цель настоящей работы — изучение фотолюминесценспектроскопия высокого разрешения, газовый анализ и ции твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y, изопериодных экологический мониторинг [4]. Твердые растворы в с подложкой InAs в интервале составов, близких к системе Ga–In–As–Sb могут образовывать с InAs и GaSb антимониду галлия. Изучение фотолюминесценции дает гетеропереходы II типа, как ступенчатые, так и разъеди- возможность непосредственно оценить ширину запрененные [5]. Пространственное разделение и локализация щенной зоны исследуемого твердого раствора и позвоэлектронов и дырок по разные стороны гетерограницы лит объяснить природу рекомбинационных переходов в II типа обеспечивают высокую вероятность непрямых объеме эпитаксиального слоя.

излучательных рекомбинационных переходов через ге- Слои твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y в интервале терограницу, что представляет интерес для создания составов с содержанием индия 0.08 < x < 0.22, мывысокоэффективных светодиодов и фотодиодов, а также шьяка y = x + 0.06 с хорошей морфологией роста были новых типов туннельно-инжекционных лазеров, работа- получены методом жидкофазной эпитаксии на подложках ющих в среднем инфракрасном диапазоне [6,7]. Су- InAs (100). Раствор–расплав был приготовлен из чистых ществование высокопроводящего двумерного канала на компонентов: атомарных In и Sb с чистотой 99.9999% границе раздела разъединенного гетероперехода II типа и 99.999% соответственно, а также нелегированных биоткрывает широкие возможности для создания датчиков нарных соединений InAs и GaSb с собственной конценХолла на основе GaInAsSb/InAs. трацией носителей n = 2 · 1016 см-3 и p = 5 · 1016 см-В настоящее время наиболее подробно изуче- соответственно. Рассогласование эпитаксиального слоя с подложкой по параметру постоянной кристаллической ны свойства ступенчатых гетероструктур II типа решетки не превышало величины a/a < 4 · 10-4.

Ga1-xInxAsySb1-y/GaSb на основе четверных твердых растворов, обогащенных антимонидом галлия и изо- Tолщина слоя составляла 1.5мкм.

периодных с подложками GaSb [8]. Значитель- Были выращены преднамеренно не легированные слои но меньшее количество работ посвящено исследова- p-GaInAsSb с концентрацией дырок, не превышающей нию свойств разъединенных гетероструктур II типа p = 2 · 1016 см-3, и слои n-GaInAsSb, легированные Te, Ga1-xInxAsySb1-y/InAs на основе твердых растворов с с концентрацией электронов n 0.8 · 1016 см-3. Легималым содержанием индия, изопериодных с подлож- рование донорной примесью осуществлялось в процессе кой InAs. Ранее нами было показано, что одиночная ге- эпитаксиального роста из раствора–расплава. Для этого тероструктура Ga1-xInxAsySb1-y/InAs в интервале соста- были использованы бинарные монокристаллы GaSb : Te с вов с x < 0.22 представляет собой разъединенный гете- концентрацией электронов n = 4.2 · 1017 см-3, полученропереход II типа, в котором на гетерогранице существу- ные методом Чохральского.

ет полуметаллический канал с высокой подвижностью В качестве источника возбуждения при исследоваэлектронов [9]. В изотипных одиночных гетерострукту- нии фотолюминесценции (ФЛ) был использован полурах II типа p-Ga0.84In0.16As0.22Sb0.78/p-InAs наблюдалась проводниковый InGaAs-лазер, работающий в непрерывинтенсивная электролюминесценции при температуре ном режиме, с длиной волны излучения = 800 нм.

Фотолюминесценция твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y (0.08 < x < 0.22), изопериодных с InAs Рис. 1. Фотолюминесценция эпитаксиальных слоев p-Ga1-xInxAsySb1-y при T = 82 K с различным содержанием индия в твердом растворе: 1 — x = 0.09, 2 — x = 0.13, 3 — x = 0.17.

Плотность мощности возбуждающего излучения на по- смещается в сторону меньших энергий фотонов. Кроме верхности образца составляла 10 Вт/см2. Сигнал того, при неизменном уровне внешнего возбуждения фотолюминeсценции диспергировался однорешеточным наблюдается сильная зависимость интенсивности монохроматором МДР-23 с решеткой 300 штрих/мм и пика ФЛ от состава четверного слоя. С ростом доли регистрировался в режиме синхронного детектирования индия в твердом растворе от x = 0.09 до x = 0.фоторезистором PbS с термоэлектрическим охлаждени- интенсивность ФЛ падает на порядок, а при x = 0.ем. Спектры ФЛ были получены при T = 80 K. полоса Ap едва различима на уровне шумов приемника.

Фотолюминесценция в одиночных гетероструктурах Для образцов с легированными слоями Ga1-xInxAsySb1-y/InAs на основе твердых растворов с со- n-Ga1-xInxAsySb1-y спектры ФЛ содержали две полосы держанием индия x = 0.09, 0.13, 0.17 и 0.21 наблюдалась излучения: полосу An — коротковолновую, более в диапазоне длин волн 1.6–2.8 мкм. Это соответствовало интенсивную и узкую, с полушириной FWHM = 22 мэВ, интервалу энергий фотонов излучательных рекомбина- и полосу Bn — длинноволновую, менее интенсивную и ционных переходов h = 0.45-0.8эВ.

более широкую, FWHM = 80 мэВ (рис. 2). Как видно Для образцов с нелегированными слоями из рисунка, спектральное положение максимумов полос Ga1-xInxAsySb1-y, имеющими слабый p-тип проводи- излучения An и Bn также зависит от состава твердого мости, спектры ФЛ содержали одну четко выраженную раствора GaInAsSb. С увеличением содержания индия полосу излучения с максимумом при энергии фотонов в эпитаксиальном слое, как и в случае со слоями hm = 680-584 мэВ и полушириной FWHM = 23 мэВ p-GaInAsSb, мы наблюдали смещение максимумов (рис. 1). В дальнейшем будем именовать данную излучения обеих полос в сторону меньших энергий полосу излучения как полоса Ap. Как видно из рисунка, фотонов. Однако при этом интенсивность полосы An спектральное положение полосы Ap зависит от состава оставалась постоянной во всем исследуемом интервале твердого раствора. С увеличением содержания In в составов, тогда как интенсивность полосы Bn падала эпитаксиальном слое максимум полосы излучения с ростом доли индия в твердой фазе, и для слоев с Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1434 К.Д. Моисеев, А.А. Торопов, Я.В. Терентьев, М.П. Михайлова, Ю.П. Яковлев Рис. 2. Фотолюминесценция эпитаксиальных слоев n-Ga1-xInxAsySb1-y при T = 82 K с различным содержанием индия в твердом растворе: a — x = 0.09, b — x = 0.13, c — x = 0.17.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Фотолюминесценция твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y (0.08 < x < 0.22), изопериодных с InAs дам, имеющим подобные механизмы рекомбинации, т. е.

с участием рекомбинационных центров, обусловленных природой формирования твердого раствора.

В таблице приведены экспериментальные данные по ФЛ для исследуемых образцов. Как видно из таблицы, энергии фотонов, соответствующих максимумам полос излучения Ap и An для эпитаксиальных слоев p- и n-типа проводимости одного и того же состава твердого раствора GaInAsSb, почти совпадают. Измерения проводились для невырoжденных твердых растворов при температуре T = 80 K, когда все мелкие уровни в запрещенной зоне, как донорные, так и акцепторные, ионизованы.

При этом условии наблюдаемые полосы Ap и An можно приписать межзонным излучательным рекомбинационным переходам зона проводимости - валентная зона в объеме эпитаксиального слоя GaInAsSb. Следовательно, мы можем оценить ширину запрещенной зоны твердого раствора Ga1-xInxAsySb1-y при T = 80 K для каждого состава с точностью до теплового размытия краев зон Рис. 3. Зависимость интенсивности фотолюминесценции I (kT = 7мэВ). Значение ширины запрещенной зоны для от содержания In в твердом растворе Ga1-xInxAsySb1-y:

твердого раствора Ga0.84In0.16As0.22Sb0.78, полученное из 1 —полоса Ap, 2 —полоса An, 3 —полоса Bn.

данных по фотолюминесценции, EG = 635 мэВ хорошо согласуется с величиной 633 мэВ, полученной ранее из измерений спектров электролюминесценции одиночных гетероструктур II типа p-Ga0.84In0.16As0.22Sb0.78/p-InAs при T = 77 K [11].

На рис. 4 представлены экспериментальные точки и теоретическая кривая зависимости ширины запрещенной зоны от содержания галлия в твердом растворе. Теоретическая кривая была рассчитана по формуле EG =EG(InAs) · xy + EG(GaSb) · (1 - x)(1 - y) + EG(InSb) · x(1 - y) +EG(GaAs) · (1 - x)y - CInAsSb xy(1 - y) - CGaAsSb (1 - x)y(1 - y) - CInGaAs x(1 - x)y - CInGaSb x(1 - x)(1 - y), где CInAsSb, CGaAsSb, CInGaAs, CInGaSb — параметры прогиба концентрационной зависимости ширины запрещенной Рис. 4. Зависимость ширины запрещенной зоны EG четверзоны тройных соединений [11,12]. Экспериментальные ного твердого раствора Ga1-xInxAsySb1-y от содержания Ga:

результаты, полученные в настоящей работе, хорошо точки — экспериментальные данные, сплошная кривая — согласуются с расчетной кривой ширины запрещенной расчет [11].

зоны и показывают, что для четверных твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y, изопериодных с подложкой InAs, в интервале составов, соответствующих 0.08 < x < 0.22, ширина запрещенной зоны эпитаксиального слоя уменьx > 0.16 полоса Bn исчезала. Следует особо подчеркнуть, шается с увеличением содержания индия в твердой фазе.

что спектральное положение полосы Bn относительно полосы An для всех составов твердого раствора GaInAsSb оставалось постоянным: hm(An) - hm(Bn) 122 мэВ.

Параметры спектров ФЛ Отметим также одинаковый характер зависимостей интенсивности пика ФЛ I в максимуме полосы излучения Содержа- hm(Ap), hm(An), hm(Bn), hm(An) - hm(Bn), ние In мэВ мэВ мэВ мэВ от состава твердого раствора для полос Ap и Bn (рис. 3).

Для данных полос наблюдается почти экспоненциальная 0.09 680 678 556 зависимость интенсивности излучения от содержания ин- 0.13 567 565 533 дия в эпитаксиальном слое. Мы полагаем, что наблюдае- 0.16 635 637 – – 0.21 584 – – – мые полосы ФЛ Ap и Bn отвечают излучательным перехоФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1436 К.Д. Моисеев, А.А. Торопов, Я.В. Терентьев, М.П. Михайлова, Ю.П. Яковлев Наблюдаемое различие в поведении зависимости ин- растворе приводит к падению интенсивности фотолютенсивности полос излучения Ap и An от состава твердого минесценции. Полоса излучения Bn практически отсутраствора (см. рис. 3) можно объяснить различием в ствует в спектрах ФЛ для слоев p-GaInAsSb с большим механизмах рекомбинации. В случае нелегированных содержанием индия (x > 0.15).

слоев с дырочным типом проводимости излучательная Таким образом, впервые исследована фотолюминесрекомбинации идет через акцепторные рекомбинационценция твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y в интерные центры, обусловленные природными структурными вале составов, соответствующих 0.08 < x < 0.22, дефектами [13], а в случае твердых растворов n-типа изопериодных с подложкой InAs, при T = 80 K. Экспроводимости можно предположить, что электроны из периментально оценена ширина запрещенной зоны EG зоны проводимости рекомбинируют с дырками валенти построена зависимость EG от состава для изопериной зоны через мелкие донорные уровни Te с энергиодного с InAs разреза фазовой диаграммы четверной ей активации ED = 3мэВ [14]. Слабая зависимость системы твердых растворов Ga–In–As–Sb. Показано, интенсивности ФЛ от состава твердого раствора для что для нелeгированных слоев p-GaInAsSb интенсивлегированных слоев n-GaInAsSb объясняется незначиность межзонной излучательной рекомбинации зависит тельным изменением концентрации носителей в эпитакот состава четверного твердого раствора и определяется сиальном слое: концентрация электронов изменялась от n = 8.0 · 1016 см-3 для x = 0.09 до n = 6.0 · 1016 см-3 концентрацией природных структурных дефектов. Для легированных донорной примесью Te слоев n-GaInAsSb для x = 0.16, что существенно не повлияло на величину в спектрах ФЛ наряду с межзонной рекомбинационной интенсивности ФЛ.

полосой наблюдалась полоса излучения, связанная с изВ случае слоев p-GaInAsSbd падение интенсивнолучательными рекомбинационными переходами на глусти ФЛ почти на порядок с увеличением содержания In бокий акцепторный уровень, образованный природным в твердом растворе от x = 0.09 до x = 0.21, вероятно, комплексом VGaTe с энергией активации EDA = 122 мэВ.

вызвано уменьшением концентрации акцепторов, связанных с природными дефектами. Ранее в работах [15,16] Работа частично поддержана Российским фондом фунбыло показано, что нелегированные твердые растворы даментальных исследований, проект № 99-02-18330.

GaInAsSb, обогащенные антимонидом галлия, обладают p-типом проводимости благодаря структурным природным дефектам типа VGa или VGaGaSb, которые создают Список литературы в запрещенной зоне двухзарядные акцепторные уровни.

Кроме того, в таких твердых растворах Ga1-xInxAsySb1-y [1] К.Д. Моисеев, М.П. Михайлова, О.Г. Ершов, Ю.П. Яковлев.

увеличение содержания In в эпитаксиальном слое приФТП, 30 (3), 399 (1996).

водит к уменьшению концентрации центров типа VGa, [2] T.S. Hasenberg. R.H. Miles, A.R. Kost, L. West. IEEE J. Quant.

т. е. вызывает так называемое залечивание структурных Electron., 33 (8), 1403 (1997).

дефектов. В этом случае концентрация акцепторных ре[3] M.P. Mikhailova, B.E. Zhurtanov, K.D. Moiseev, A.N. Imenкомбинационных центров уменьшается почти на порядок kov, O.G. Ershov, Yu.P. Yakovlev. MRS Symp. Proc., 484, (1997).

при изменении содержания In в твердом растворе от [4] A.I. Nadezhdinski, A.M. Prokhorov. SPIE Proc., 1724, x = 0.08 до x = 0.17 [17]. Таким образом, следует (1992).

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.