WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Безызлучательная рекомбинация и кинетика оптически ориентированных электронов на интерфейсе GaAs / AlGaAs © Р.И. Джиоев, К.В. Кавокин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 25 февраля 2003 г.) Показано, что оптическая ориентация электронных спинов в полупроводниках позволяет реализовать чувствительный метод измерения зависимости времени жизни носителей от их концентрации. Эксперименты, проведенные в стационарном режиме при малой интенсивности возбуждения на гетероструктуре GaAs / AlGaAs, позволили исследовать безызлучательную рекомбинацию электронов и дырок, разделенных встроенным в интерфейс электрическим полем.

1. Область гетерограницы играет важную роль в рабо- носителей может быть установлена только посредством те большинства приборов на основе полупроводниковых довольно сложных вычислений [5]. Это обстоятельство гетероструктур. Надо также отметить, что интерфейс в определенной степени лишает метод присущей ему всегда является составной частью просветных полупро- наглядности и может привести к потере точности водниковых фотокатодов и напряженных фотокатодных измерения. Во-вторых, высокие значения отношений структур. Последние перспективны для получения по- периода импульсов к их длительности не позволяют токов фотоэлектронов с предельной спиновой поляриза- понизить интенсивность в импульсе до уровней, коцией [1]. Изучение поляризованной фотолюминесценции торых можно достичь в стационарных условиях воз(ФЛ) из области ферромагнитного гетероинтерфейса буждения.

в структуре Ni / GaAs дало возможность обнаружить Использование оптической ориентации электронных взаимное влияние тонкой, толщиной в несколько на- спинов для измерения эффективных времен жизни понометров ферромагнитной пленки и оптически ориен- могает преодолеть указанные ограничения. Эти изметированных электронов в полупроводнике [2]. В связи рения основаны на сравнении времен рекомбинации и с этим представляет интерес исследование поведения спиновой релаксации электронов с периодом прецессии ориентированных по спину электронов вблизи гетеро- их среднего спина во внешнем магнитном поле, приинтерфейса. ложенном к образцу в поперечном к среднему спину Помимо специфической информации о спиновом направлении. Эксперименты проводятся в стационарных транспорте [3,4], важной для гипотетических прило- условиях, так что измеренные времена жизни соответжений в спинтронике, исследование динамики элек- ствуют фиксированным концентрациям носителей.

тронного спина вблизи гетерограницы способно дать В данной работе исследовались особенности кисведения о релаксационных процессах, существен- нетики электронов в слое p-GaAs гетероструктуры ных для эффективной работы обычных электрон- GaAs / AlGaAs, обусловленные наличием интерфейса.

ных и оптоэлектронных приборов. В данной рабо- Метод оптической ориентации позволил измерять врете применяется метод оптической ориентации для мена жизни при предельно низких уровнях возбуждения.

экспериментального исследования влияния интерфей- Наблюдавшаяся зависимость скорости рекомбинации от са GaAs / AlGaAs на кинетику рекомбинации и спи- интенсивности накачки объяснена захватом носителей новую поляризацию электронов. Одним из основных на глубокие центры вблизи интерфейса. Согласие эксперезультатов работы является обнаружение эффективно- риментальных данных с вычислениями, основанными на го канала безызлучательной рекомбинации на интер- модели Шокли–Рида–Холла [6], позволило определить фейсе, насыщающегося при довольно низких уровнях скорости рекомбинации электронов и дырок на гетеронакачки. границе. Соотношение скоростей захвата электронов и Кинетика фотовозбужденных носителей в полупро- дырок на глубокие центры свидетельствует о наличии водниковых структурах широко исследуется методами изгиба зон, создающего барьер для дырок.

спектроскопии с временным разрешением, несомнен- 2. Эксперименты проводились при комнатной ным преимуществом которых является возможность температуре на гетероструктуре GaAs / Al0.6Ga0.4As.

прямого измерения скоростей рекомбинации. С другой Образцы представляли собой используемые для стороны, освещение образцов лазерными световыми производства фотокатодов „инверсные“ структуры импульсами пикосекундной длительности с неизбежно- GaAs / Al0.6Ga0.4As / стекло [7]. На этих образцах уже стью ограничивает возможности этого метода. Из-за были выполнены измерения диффузионной длины и наличия насыщающихся центров рекомбинации время времени жизни электронов [8,9]. Это позволило нам жизни будет меняться по мере затухания люминесцен- раздельно определить скорости рекомбинации в объеме ции. Поэтому связь времени жизни и концентрации и на интерфейсе.

Безызлучательная рекомбинация и кинетика оптически ориентированных электронов... Ханле). На рис. 1 приведены нормированные кривые деполяризации для двух случаев, отличающихся интенсивностями накачки. Как видно из рисунка, зависимости совпадают друг с другом, т. е. время жизни спиновой ориентации электронов не зависит от интенсивности накачки (Ts = 6.5 · 10-11 s). На это указывает также и то обстоятельство, что степень поляризации ФЛ довольно мала ( <0.02). Действительно, в таком случае для времен выполняется соотношение s eff; это значит, что время жизни спиновой ориентации электронов Ts определяется в основном временем их спиновой релаксации s, которое от интенсивности накачки не зависит.

Таким образом, зная поляризацию ФЛ, можно вычислить эффективное время жизни электронов eff.

Чтобы отделить рекомбинацию в объеме кристалла Рис. 1. Зависимости степени циркулярной поляризации ФЛ от рекомбинации на интерфейсе, исследованы процессы от величины поперечного магнитного поля (эффект Ханле).

диффузии электронов и поглощения рекомбинационного Экспериментальные зависимости показаны точками: 1 —для излучения в кристалле. Измерена зависимость от слабой накачки (10 mW/cm2), 2 — для сильной накачки длины волны ФЛ. Методом, описанным в [8], опреде (200 mW/cm2). Линия — лоренцевский контур.

лена диффузионная длина электронов L = DV, где D — коэффициент диффузии электронов. Эксперимент показал, что значение L не зависит от интенсивности Эффективные времена определялись с помощью изме- накачки (L 4 µm). Время жизни в области, прилегаюрения степени поляризации излучения при межзонной щей к интерфейсу, также не зависит от интенсивности рекомбинации в стационарных условиях генерации носи- накачки; оно больше, чем в основной толще кристалла, телей заряда циркулярно поляризованным светом. Слой из-за наличия встроенного электрического поля вблизи GaAs возбуждался через широкозонное „окно“ AlGaAs гетерограницы. Именно это время нужно понимать как лучом Kr+ лазера (ex = 752.5nm). Интенсивность возбуждающего света менялась от 10 до 200 mW/cm2.

Для улучшения отношения сигнала к шуму при малых плотностях накачки луч лазера фокусировался цилиндрической линзой. Использовался анализатор круговой полиризации с фотоупругим модулятором [10] в сочетании со схемой двухканального счета фотонов, полязированных по правому и левому кругу. Точность измерения степени поляризации была не хуже 5 · 10-4. Чтобы избежать влияния на величину диффузии электронов от возбуждающей поверхности в глубь кристалла, измерения проводились на длинноволновом крыле линии фотолюминесценции [8], где Le 1 ( — коэффициент поглощения на длине волны измерений).

При наличии канала поверхностной рекомбинации эффективное время жизни eff электронов определяется выражением 1/eff = 1/V + i/Le, (1) где V — время жизни электронов в объеме кристалла, i — скорость рекомбинации на поверхности (в данном случае на интерфейсе), Le — длина диффузии электронов. Значения eff вычислялись с использованием выражения для поляризации ФЛ = 0.25Ts /eff. (2) -Здесь Ts =(s-1 + eff )-1 — время жизни спиновой Рис. 2. Зависимости от интенсивности накачки: a — отноориентации электронов (s — время спиновой релакшения объемного времени жизни к эффективному (V /eff), сации). Время Ts определялось по эффекту деполя- b — интенсивности ФЛ. Сплошные линии получены по форризации ФЛ поперечным магнитным полем (эффект мулам (6) и (3).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1568 Р.И. Джиоев, К.В. Кавокин параметр V в задаче о насыщении безызлучательной ре- При уровнях легирования 1018 cm-3 встроенное покомбинации. Таким образом, имеем V = 3.6 · 10-9 s [8]. ле экранируется на расстояниях от интерфейса, много На графиках рис. 2 точками показаны эксперименталь- меньших, чем диффузионная длина L 4 µm. Формула но измеренные зависимости от интенсивности накачки: (6) остается при этом справедливой, однако re и rh на рис. 2, a — отношения объемного времени жизни должны умножаться на соответствующие больцмановк эффективному времени жизни в области интерфейса; ские факторы f и f. Если не принимать во внимание e h на рис. 2, b — интенсивности ФЛ. пространственное квантование носителей, то 3. Перейдем теперь к построению модели, описываюB f / f = eu/k T, (7) щей зависимость eff от интенсивности накачки. Потоки e h электронов (e · n(0)) и дырок (h · p(0)) к поверхности где u — величина электростатического потенциала должны быть равны друг другу. Из решения уравнения вблизи интерфейса. Таким образом, искривление зон на непрерывности для электронов имеем несколько сотен meV при комнатной температуре может J · eff привести к наблюдаемому значению отношения re/rh.

n(z ) = e-z /L, (3) Эффект насыщения безызлучательного канала рекомL бинации не наблюдался при возбуждении со стороны где J — интенсивность возбуждения, z — координата свободной поверхности GaAs, поскольку темп рекомбивдоль нормали к поверхности интерфейса. Отсюда сленации на поверхности довольно высок ( = 7 · 105 cm/s), дует, что и мощности лазера было недостаточно для насыщения J · e h · p(0) =, (4) центров рекомбинации. При 77 K эффект не удается L(1/V + e/L) наблюдать даже на интерфейсе, поскольку при такой где p(0) — концентрация дырок у интерфейса.

температуре центры безызлучательной рекомбинации, Чтобы избавиться от неопределенности в реше- очевидно, заняты.

нии (4), следует ввести дополнительное соотношение Таким образом, измерение динамических параметмежду h и e. Согласно используемой здесь модели ров, определяющих неоднородное распределение спиноШокли–Рида–Холла, имеем вой плотности оптически ориентированных электронов, позволило проследить зависимость времен жизни от h e + = 1, (5) концентрации фотовозбужденных носителей у интерrh re фейса гетероструктуры (Al, Ga)As. В экспериментах по где rh и re — скорости захвата дырок и электронов оптической ориентации, выполненных при комнатной соответственно. Условие (5) означает, что на интерфейстемпературе в стационарных условиях и низких уровный центр одновременно не может быть захвачено более нях возбуждения, проявилась безызлучательная рекомодного электрона или дырки.

бинация электронов и дырок, разделенных встроенным Решение системы уравнений (4) и (5) для eff/V имеет электрическим полем вблизи гетерограницы.

вид 1 Список литературы eff/V = (1 + a - j)2 + 4aj - (1 + a - j), (6) 2 j [1] H.-J. Drouhin, G. Lampel, Yu.A. Mamaev, A.V. Subashiev, J L Yu.P. Yashin. Physics and Technology. 7th Int. Symp. Proc.

где j =, a =. На рис. 2, a и b линиями показаны p0rh V re St. Petersburg (1999). P. 291.

результаты расчета eff и интенсивности с использова[2] Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, В.Л. Коренев. ФТТ 37, 11, нием (6) вместе с (1), (2) и (3). Наилучшее совпаде3510 (1995).

ние с экспериментальными результатами получено при [3] Д.З. Гарбузов, И.А. Меркулов, В.А. Новиков, В.Г. Флейследующих значениях скоростей захвата на интерфейсе:

шер. ФТП 10, 5, 934 (1976).

re = 105 и rh = 3 · 10-2 cm/s.

[4] D. Hagele, M. Oestreich, W.W. Ruhle, N. Nestle, K. Eberl.

Обращает на себя внимание большое различие скоAppl. Phys. Lett. 73, 11, 1580 (1998).

ростей захвата электронов и дырок. Тот факт, что [5] G.W.’t Hooft, C. van Opdorp. J. Appl. Phys. 60, 3, отношение re/rh на 6 порядков больше, чем наблюда(1986).

лось для интерфейса GaAs / AlGaAs в [11], заставляет [6] R.N. Hall. Phys. Rev. 87, 387 (1952).

[7] J.P. Andre, P. Guittard, J. Hallais, C. Piaget. J. Crist. Growth предположить наличие встроенного электрического по55, 235 (1981).

ля, которое создает барьер для дырок и потенциаль[8] Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, Р.Р. Ичкитидзе, К.В. Кавоную яму для электронов. Заметим, что существование кин, П.Е. Пак. ФТТ 35, 10, 2821 (1993).

встроенного электрического поля в таких структурах [9] Р.И. Джиоев, К.В. Кавокин. ФТТ 33, 10, 2928 (1991).

отмечалось и ранее. Это и было причиной существен[10] S.N. Jasperson, S.E. Shnatterly. Rev. Sci. Inst. 40, 761 (1969).

ного различия релаксационных времен, измеренных [11] R.K. Ahrenkiel, B.M. Keyes, D.J. Dunlavy. J. Appl. Phys. 70, вблизи интерфейса (V = 3.6 · 10-9 s, Ts = 6 · 10-11 s) и 225 (1991).

вблизи свободной поверхности GaAs (V = 2.3 · 10-9 s, Ts = 4.4 · 10-11 s) [8].




© 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.