WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 10 Объемное антистоксово вторичное излучение в фосфиде галлия при температуре 4.2 K © В.С. Горелик, А.Л. Карузский, П.П. Свербиль Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 17 сентября 2001 г.

В окончательной редакции 9 января 2002 г.) Выполнены исследования вторичного излучения (фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света) в монокристаллах фосфида галлия при гелиевых температурах. Впервые установлено, что при возбуждении спектров вторичного излучения непрерывным маломощным гелий-неоновым лазером, линия генерации которого находится в области прозрачности фосфида галлия, наблюдается антистоксова фотолюминесценция из объема образца, обусловленная межзонной, а также примесной рекомбинацией. Полученные результаты открывают возможность для проведения качественного и количественного анализа примесей, присутствующих внутри объема полупроводника, на основе регистрации спектров объемной антистоксовой фотолюминесценции при низких температурах.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 98-0217452) и ГНТППТУМНЭ(02.04.4.2.15Э37).

Если энергия квантов возбуждающего излучения E0 2. Результаты исследований больше ширины запрещенной зоны полупроводника, то вторичное излучение возникает лишь в тонком Исследовались спектры фотолюминесценции и КР приповерхностном слое исследуемого материала. Соотфосфида галлия в стоксовой и антистоксовой облаветственно анализ спектров фотолюминесценции (ФЛ) стях. Впервые при возбуждении спектров вторичнои комбинационного рассеяния (КР) в этом случае го излучения непрерывным гелий-неоновым лазером дает информацию об электронном и колебательном относительно малой мощности обнаружено, что при спектрах лишь тонкого приповерхностного слоя полу- температуре 4.2 K наблюдается антистоксова фотолюмипроводника.

В данной работе ставилась задача исследовать при низких температурах характеристики антистоксова вторичного излучения в кристалах фосфида галлия, возбуждаемого лазерным источником, энергия квантов которого не превышала ширины запрещенной зоны Eg GaP (фотовозбуждение носителей происходило в объеме кристалла).

1. Методика эксперимента Были выполнены исследования спектров ФЛ и КР монокристаллических образцов фосфида галлия с ориентацией поверхности (100), выращенных без специального введения примесей. Спектры регистрировались на автоматизированном спектрометре ДФС-24 [1] с шириной аппаратной функции 0.7 cm-1. В процессе измерений образец находился в жидком гелии (при температуре T = 4.2K) в оптическом гелиевом криостате. ВторичРис. 1. Спектр вторичного излучения в стоксовой и антиное излучение возбуждалось гелий-неоновым лазером с стоксовой области в кристалле фосфида галлия ориентации длиной волны 632.8 nm и мощностью 5 mW и аргоновым (100) при T = 4.2 K. Возбуждение гелий-неоновым лазером лазером с длинами волн генерации 488.0 и 476.5 nm (0 = 632.8nm, E0 = 1.96 eV) в диапазоне 1.9–2.4 eV; DA — мощностью около 20 и 5 mW соответственно. Для изположение максимума интенсивности донорно-акцепторной мерения спектров отражения применялась галогенная рекомбинации, штриховая стрелка справа соответствует межлампа накаливания мощностью 40 W. зонной рекомбинации.

Объемное антистоксово вторичное излучение в фосфиде галлия при температуре 4.2 K спектрального положения максимума линии (указан стрелками) в сторону меньших энергий.

Более подробно кинетика спада АФЛ после выключения возбуждающего лазерного пучка показана на рис. 3 для трех значений энергии АФЛ: 2.2 и 2.15 eV (максимум АФЛ и его первое LO-фононное повторение) и в промежутке между этими максимумами при 2.175 eV.

Как видно из этого рисунка, время уменьшения интенсивности АФЛ в 100 раз от стационарного значения составляет: 5s при E = 2.2eV, 20 s при E = 2.15 eV и при E = 2.175 eV более 60 s. Эти зависимости также указывают на сдвиг максимума линии с задержкой в сторону меньших энергий. Отметим, что видимое глазом послесвечение в GaP при гелиевой температуре длится более минуты.

Рис. 4 показывает изменение спектров АФЛ с увеРис. 2. Изменение интенсивности АФЛ в GaP при T = 4.2K личением интенсивности возбуждения гелий-неоновым при одновременном сканировании по спектру и циклическом возбуждении гелий-неоновым лазером (одна секунда — осве- лазером (кривые 1, 2), а также аналогичных спектров ФЛ щение, две секунды — затемнение). Стрелками отмечены с увеличением энергии E0 возбуждающего кванта выше положения максимумов послесвечения АФЛ с нулевой и ширины запрещенной зоны Eg = 2.338 eV (кривые 3, 4).

двухсекундной задержками.

Как видно из этого рисунка, с увеличением энергии возбуждающего кванта наблюдается систематический сдвиг основного максимума (показан стрелкой) в сторону более высоких энергий.

несценция (АФЛ), интенсивность которой существенно Кроме того, на наиболее интенсивном спектре ФЛ превышает интенсивность стоксова вторичного излуче(кривая 4 на рис. 4) появляются серии узких линий ния (рис. 1). При переходе от температуры жидкого в интервале 2.24–2.30 eV. Рис. 5 более подробно иллюгелия к температуре жидкого азота АФЛ практически стрирует присутствие резких пиков фотолюминесценции исчезает. В спектре АФЛ доминирует широкая полоса в диапазоне 2.24–2.32 eV, которые в соответствии с с максимумом вблизи 2.2 eV. Кроме нее наблюдается небольшой широкий пик межзонной АФЛ с максимумом в области энергии ширины запрещенной зоны Eg = 2.338 eV [2]. Слабые узкие линии, заметные в спектре вблизи возбуждающей линии He–Ne-лазера, не связаны с фосфидом галлия и обусловлены спонтанным излучением газового разряда в лазере. В доминирующей широкой полосе АФЛ при температуре жидкого гелия присутствуют несколько повторений со сдвигом 50 meV, близким к энергии LO-фонона в точке зоны Бриллюэна, наблюдаемого в стоксовой области спектра КР (обозначен стрелкой на этом рисунке). Аналогичная широкая модулированная фононными повторениями полоса при возбуждении GaP пучком электронов и последующей рекомбинации донорно-акцепторных (D–A) пар наблюдалась ранее в [3].

Рис. 2 представляет комбинированные спектральновременные характеристики изменения интенсивности АФЛ, полученные при периодическом прерывании возбуждающего светового пучка (одна секунда — освещение, две секунды — затемнение). При этом решетки спектрометра осуществляли сканирование по спектру с постоянной скоростью. Таким образом, верхняя огибающая спектра на рис. 2 аналогична кривой, привеРис. 3. Кинетика спада АФЛ в GaP при T = 4.2K при денной на рис. 1, а нижняя огибающая соответствует трех различных энергиях E после выключения возбуждающего распределению интенсивности послесвечения АФЛ при излучения (E0 = 1.96 eV). E, eV: 1 — 2.175, 2 —2.2, 3 — 2.15.

времени задержки 2 s после выключения возбуждения.

Кривая 3 смещена вниз по вертикали на один порядок для При увеличении времени задержки наблюдается сдвиг наглядности.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1772 В.С. Горелик, А.Л. Карузский, П.П. Свербиль литературными данными [2] следует отнести к примесным центрам типа близкорасположенных донорноакцепторных пар S–C.

В спектре ФЛ (рис. 5) наблюдается слабая бесфононная линия экситона, связанного на доноре S (2.310 eV).

В спектре отражения (рис. 6) кроме пика экситона, связанного на нейтральном доноре S, виден еще более интенсивный пик 2.318 eV, обусловленный бесфононным Рис. 6. Спектр отражения GaP при T = 4.2K. Eg — край зоны, BES — бесфононная линия экситона, связанного на сере, NP BEN — бесфононная линия экситона, связанного на азоте.

NP переходом экситона, связанного на нейтральном изоэлектронном центре — примеси азота [2–7].

3. Обсуждение результатов 3.1. Анализ примесей в объеме кристалла по спектрам антистоксовой фотолюминесц е н ц и и. Спектральное положение и кинетика наблюдавшегося спектра, представленные на рис. 1–3, указывают на то, что доминирующая полоса АФЛ из объема кристалла GaP обусловлена донорно-акцепторной рекомбинацией [2,3]. Из рис. 2 следует что через 2 s поРис. 4. Спектры АФЛ и ФЛ в GaP при T = 4.2K при сле перекрытия пучка гелий-неонового лазера (нижняя различном возбуждении E0. E0, eV: 1 — 1.96 (мощность опибающая кривая) максимум спектра (показан стрел0.6 mW), 2 —1.96 (мощность 5 mW), 3 — 2.54, 4 —2.6.

ками) сдвигается в сторону меньших энергий. Данный факт можно объяснить тем, что с увеличением времени задержки рекомбинируют более долгоживущие далекие электронно-дырочные пары, кулоновская энергия связи которых соответственно уменьшается, и энергия кванта бесфононной излучательной рекомбинации может быть представлена выраением [2,3] eE(r) =Eg - (EA + ED) +, (1) r где EA и ED — энергии ионизации невзаимодействующих донора и акцептора, e — заряд электрона, —относительная диэлектрическая проницаемость кристалла, r — расстояние между донором и акцептором.

Увеличение времени жизни рекомбинации с ростом расстояния между акцептором и донором объясняются и кинетические зависимости интенсивности в различных точках спектра D–A-полосы АФЛ, представленные на рис. 3. Интнесивность бесфононной рекомбинации Рис. 5. Спектр донорно-акцепторной рекомбинации в GaP электронов и дырок на D–A-парах, расположенных на при T = 4.2 K в диапазоне 2.23–2.32 eV. Числа возле пиков, наиболее вероятных расстояниях и излучающих в обсогласно [2], соответствуют номерам оболочек подрешеток ласти максимума D–A-полосы (кривая 2 на рис. 3 для доноров S и акцепторов C, справа отмечен (S) слабый пик связанного на сере экситона. E = 2.2eV), спадает в 100 раз за 5 s. Интенсивность Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Объемное антистоксово вторичное излучение в фосфиде галлия при температуре 4.2 K бесфононной рекомбинации более удаленных D–A-пар пары или комплексы с участием кислорода или меди и, с энергией E = 2.175 eV (кривая 1) спадает медленнее: вероятно, изоэлектронная примесь азота. Процесс возв 100 раз за минуту. Немонотонность увеличения вре- буждения можно рассматривать как поглощение кванмени такого же спада с ростом энергии (на кривой 3 та света таким центром в кристалле с последующим для E = 2.15 eV оно равно 20 s) обусловлена вкладом формированием локализованного поляритона верхней первого LO-фононного повторения максимума полосы.

поляритонной ветви вблизи центра зоны Бриллюэна, Сдвиг максимума полосы D–A-рекомбинации с увели- характеризующегося аномально низкой фазовой скорочением интенсивности возбуждения АФЛ и с увеличе- стью (k 0). При нагревании кристалла происходит нием энергии E0 возбуждающего кванта выше ширины быстрая поляритон-фононная релаксация возбужденного запрещенной зоны (рис. 4) соответствует рекомбинации состояния. В рассматриваемом нами случае низких темменее удаленных электронов и дырок. При возбуждении ператур такой поляритон оказывается долгоживущим.

квантами с энергией 2.54–2.6 eV свет поглощается в субПод действием возбуждающего излучения может происмикронном приповерхностном слое, что приводит к выходить дальнейшее возбуждение обсуждаемого центра, сокой концентрации носителей и малому среднему рассопровождающееся образованием свободного носителя стоянию между ними. В отличие от приповерхностного и последующей его рекомбинацией.

возбуждения при энергии возбуждения E0 = 1.96 eV На рис. 1 обнаруживается полоса излучения, соответрекомбинация осуществляется из всего освещенного ствующая межзонному переходу (E = Eg). При этом объема полупроводника. При снижении интенсивности экситонного излучения практически не наблюдается, гелий-неонового лазера максимум интенсивности АФЛ что можно объяснить следующим образом. В случае смещается в область меньших энергий (кривые 2, 1 на обычного приповерхностного возбуждения ФЛ квантарис. 4) из-за уменьшения концентрации возбужденных ми с энергией, большей ширины запрещенной зоны, носителей.

сильное поглощение возбуждающего излучения привоСпектральное положение широкой полосы D–A АФЛ дит к высокой концентрации электронно-дырочных пар, (рис. 1, 2, 4) и характерных узких пиков от близко расподостаточной для нейтрализации заряженных примесей и ложенных донорно-акцепторных пар (рис. 6) указывает образования экситонов. Напротив, при фотовозбуждении на то, что основной донорной примесью в объеме излучением в области прозрачности образца в условиях исследованных образцов является сера, а основным гелиевых температур поглощение света и концентрация акцептором служит углерод [2]. Это подтверждается и неравновесных носителей малы, что приводит к дотем, что в спектре ФЛ на рис. 5 наблюдается экситон, статочно высокой концентрации заряженных состояний связанный на сере. Наблюдаемый спектр по своей форме типа донорных и акцепторных ионов. Концентрация близок к спектру люминесценции, наблюдавшейся в [2] „замороженной“ плазмы из таких заряженных состои соответствующей концентрации серы 1017 cm-3.

яний оказывается способной [8,9] воспрепятствовать Из спектра отражения (рис. 6) следует, что образцы образованию характеризуемых относительно большим содержат также заметную концентрацию ( 1017 cm-3) боровским радиусом экситонов. В результате не связанизооэлектронной примеси азота.

ные на донорах и акцепторах неравновесные носители 3.2. О возможном механизме возбуждения находятся в состоянии плазмы свободных носителей и антистоксовой фотолюминесценции. Наблюобусловливают линию межзонной АФЛ на рис. 1.

давшаяся ранее АФЛ в фосфиде галлия при темпеТаким образом, установлено, что при облучении криратуре жидкого гелия [4–7] возбуждалась мощными сталла фосфида галлия при T = 4.2 K гелий-неоновым ( 1014 Wcm-2) импульсами лазерного источника и имелазером в области прозрачности данного материала в ла характерную для двухфотонного возбуждения квадраобъеме образца происходит электронное возбуждение тичную зависимость интенсивности АФЛ от мощности долгоживущих локализованных примесных центров и возбуждения. Как показали наши измерения, спектральобразование дырок в валентной зоне. На следующем ная интенсивность АФЛ в стационарных условиях лиэтапе под действием света электроны с примесных нейно растет с увеличением интенсивности возбуждения центров переходят в зону проводимости. В дальнейшем от 0.05 до 5 mW (см., например, данные, представленные происходит электронно-дырочная рекомбинация.

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.