WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 11 Ионизация глубоких примесных центров дальним инфракрасным излучением (Обзор) © С.Д. Ганичев,, И.Н. Яссиевич, В. Преттл Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт экспериментальной и прикладной физики Университета Регенсбурга, D-93040 Регенсбург, Германия (Поступил в Редакцию 21 апреля 1997 г.) Рассмотрены процессы ионизации глубоких примесных центров под влиянием мощного дальнего инфракрасного и субмиллиметрового излучения, когда энергия кванта света в десятки раз меньше энергии ионизации примеси. В широком диапазоне интенсивностей и длин волн терагерцовое электрическое поле возбуждающего излучения действует как постоянное поле. В этих условиях ионизация глубоких центров может быть описана как процесс многофононного туннелирования, при котором эмиссия носителей сопровождается туннелированием дефекта в конфигурационном пространстве и туннелированием электрона под влиянием электрического поля. Полевая зависимость вероятности ионизации позволяет определить времена туннелирования дефекта и характер их адиабатических потенциалов. Отклонение от полевой зависимости 2 вероятности ионизации e(E) exp(E2/Ec ) (где E — поле волны, а Ec — характерное поле), соответствующей многофононной туннельной ионизации, имеет место при относительно малых полях, когда ионизация дефекта обусловлена эффектом Пул–Френкеля, и при очень больших полях, когда ионизация происходит благодаря эффекту прямого туннелирования без термоактивации. Рассмотрены эффекты, обусловленные высокой частотой излучения, и показано, что при низких температурах они становятся доминирующими.

Содержание 5. Кинетические исследования долгоживущих кулоновских возбужденных состояний мелкого примесного Введение центра 1. Ионизация глубоких примесей электрическим по- 5.1. Экспериментальное исследование особеннолем стей кинетики захвата на мелкие донорные состояния Te в GaP 1.1. Адиабатическое приближение 5.2. Кинетическая модель процесса релаксации 1.2. Многофононная термоэмиссия в присутствии долгоживущего возбужденного 1.3. Многофононная туннельная ионизация в при- состояния сутствии электрического поля 6. Основные выводы 1.4. Прямая электронная туннельная ионизация 7. Приложение. Эффекты разогрева под действием из1.5. Влияние заряда лучения 1.6. Процессы ионизации под действием субмиллиметрового излучения Введение 2. Экспериментальные методы и объекты исследования Интерес к спектроскопии полупроводников и полупроводниковых структур в дальнем инфракрасном (ДИК) 3. Наблюдение туннельной ионизации глубоких прии субмиллиметровом (СБММ) диапазонах (длины волн месных центров мощным ДИК–СБММ-излучением от 30 до 1000 µm, что соответствует энергии кван4. Ионизация глубоких примесных центров мощным та от 35 до 1 meV) стимулирован в первую очередь ДИК–СБММ-излучением тем фактом, что им соответствуют характеристические энергии большого числа элементарных возбуждений в 4.1. Туннельная многофононная ионизация полупроводниках. Таковыми являются энергия плазменных колебаний, энергии ионизации типичных мелких 4.2. Прямая туннельная ионизация доноров и акцепторов, энергии циклотронного и спино4.3. Влияние заряда и эффект Пул–Френкеля вого взаимодействия, характерные энергии размерного 4.4. Эффекты, обусловленные высокой частотой квантования электронной подсистемы, энергии оптичеДИК-излучения ских фононов и другие. Многие десятилетия ДИК- и 1 1906 С.Д. Ганичев, И.Н. Яссиевич, В. Преттл СБММ-диапазоны были одними из самых эксперимен- электрические явления при осцилляциях Блоха [45,46], тально труднодоступных. С появлением новых источни- эффект увлечения электронов фотонами [11,15,47–52], ков излучения в последние двадцать-тридцать лет было фотогальванический эффект [53–57], фоторезистивные опубликовано большое количество экспериментальных эффекты, возникающие в полупроводниковых структурах работ в этой области с применением решеточных мо- при плазменном отражении [58–62], многофотонное ренохроматоров, интерферометров Фабри–Перо, Фурье- зонансное туннелирование в структурах с квантовыми спектрометров, ламп обратной волны (ЛОВ) и дискрет- ямами [18], а также использовать их в разработке приных линий излучения относительно малой интенсивно- емников излучения [47,50,51,63–68].

сти непрерывных лазеров с электрической и оптической Настоящая работа посвящена обнаруженному в [69] накачкой. СБММ- и ДИК-спектроскопия стала эффек- новому нелинейному эффекту ионизации глубоких притивным инструментом в изучении свойств материалов месных центров ДИК-излучением с энергией квантов, в и разнообразных эффектов в различных областях ис- несколько десятков раз меньшей энергии связи примеси.

следований. Появление мощных импульсных ДИК- и Рассмотрены примесные центры, для которых прямое СБММ-лазеров (сначала молекулярных с оптической взаимодействие между светом и локальными колебаниянакачкой ТЕА СО2-лазером [1,2], а впоследствии лазеров ми отсутствует. Для изучения процесса ионизации прина свободных электронах [3,4] и полупроводниковых меняется традиционный для оптических исследований лазеров на p-Ge [5–10]), генерирующих наносекундные метод фотопроводимости [70], позволяющий регистриимпульсы большой интенсивности (вплоть до несколь- ровать малейшие (< 0.01%) изменения концентрации ких мегаватт), открыло совершенно новые возможно- носителей, что обеспечивает высокую чувствительность сти исследования полупроводников в ДИК-диапазоне и измерений.

привело к появлению метода ДИК-спектроскопии полу- При отсутствии свободных носителей в полупроводпроводников при высоком уровне возбуждения, впервые нике ионизация глубоких примесей обусловлена процеспримененного в ФТИ им. А. Ф. Иоффе [11]. сами туннелирования под влиянием сильного электриВ рассматриваемом частотном диапазоне высокая ин- ческого поля излучения. При этом в большинстве слутенсивность излучения приводит к появлению многочи- чаев ДИК-излучение действует как сильное постоянное сленных нелинейных явлений в полупроводниках и по- электрическое поле, и вероятность ионизации не зависит лупроводниковых структурах (см., например, обзор [12]), от частоты излучения. Увеличение частоты и понижение таких как многофотонное поглощение [13–19], насыще- температуры приводят к появлению частотной зависимоние поглощения (просветление) [20–30], нелинейный ци- сти вероятности ионизации, обусловленной переходом клотронный резонанс [31,32], ударная ионизация [33,34], к случаю, когда величина энергии кванта излучения нелинейная фотоакустическая спектроскопия [35], гене- становится существенной.

рация высоких гармоник [36,37], высокочастотный эф- Глубокие примесные центры играют определяющую фект Штарка [38], характеристики которых существенно роль в электронных свойствах полупроводниковых матеотличаются от аналогичных эффектов, наблюдаемых как риалов и поэтому являются предметом обширного изучев видимом и инфракрасном диапазонах, так и в диапазоне ния [71–77]. Именно глубокие центры обычно определяот СВЧ-излучения до постоянных электрических полей. ют время жизни неравновесных носителей, действуя как Причина этого состоит в том, что ДИК–СБММ-диапазон центры безызлучательной рекомбинации и термической является областью, в которой происходит переход во ионизации. Одним из традиционных методов исследовавзаимодействии электрон-фотонной системы от кванто- ния глубоких примесей является изучение влияния элеквого к классическому пределу, т. е. возникает уникальная трического поля на процессы термической ионизации возможность изучать одно и то же физическое явление и захвата носителей. В частности, изучение ионизации в условиях, когда при изменении частоты или интен- или захвата в сильном электрическом поле оказывается сивности излучения основную роль играют то дискрет- фактически единственным методом, позволяющим найти ные свойства света, то его волновые характеристики. параметры многофононных переходов, определяющих Важным преимуществом СБММ- и ДИК-спектроскопии скорость безызлучательной рекомбинации. Одним из высокого уровня возбуждения является также увеличе- наиболее часто используемых методов является емкостние чувствительности методик благодаря использованию ная спектроскопия глубоких центров (DLTS). Большинбольшой интенсивности излучения, которой соответству- ство параметров глубоких центров (энергия ионизации, ет большое число квантов. Поскольку энергия кванта сечение безызлучательного и излучательного захвата) существенно меньше ширины запрещенной зоны, и, сле- получено на основе различных модификаций DLTS. Отдовательно, прямая однофотонная генерация свободных метим, однако, что при этом неоднородность электриченосителей отсутствует, на первый план выходят отно- ского поля в структуре вносит определенную сложность сительно слабые эффекты перераспределения носителей в интерпретацию получаемых данных. Непосредственпо импульсу и энергии. Высокая интенсивность излу- ное приложение сильных статических электрических чения позволяет детально изучать такие фотоэлектри- полей обычно затруднено возникновением неоднородноческие явления, как например линейный и нелинейный сти поля в образце и часто сопровождается эффектом разогрев электронного газа [21,29,33,34,39–44], фото- лавинного пробоя. Использование электрического поля Физика твердого тела, 1997, том 39, № Ионизация глубоких примесных центров дальним инфракрасным излучением (Обзор) мощных коротких лазерных импульсов ДИК-излучения с частотами терагерцового диапазона не связано с такими проблемами и позволяет однородно и бесконтактно прикладывать большие электрические поля. При этом, несмотря на высокие интенсивности излучения, разогрев электронного газа или кристаллической решетки отсутствует либо пренебрежимо мал. Это обусловлено чрезвычайно слабым поглощением ДИК-излучения ввиду малой концентрации свободных носителей (носители заряда выморожены на примесь), а также использованием коротких наносекундных импульсов излучения, не приводящих к существенному возмущению фононной системы.

Таким образом, наблюдение многофононной туннельной ионизации в условиях бесконтактного приложения сильного однородного электрического поля и при исРис. 1. Модуляция положения локального электронного уровпользовании коротких импульсов излучения с временаня при колебаниях примеси и решетки: а — связанный элекми, меньшими времен жизни неравновесных носителей, трон в основном состоянии, колебательная система дефекта в позволило разработать новый метод исследования глубо- равновесии; b — колебательная система дефекта возмущена, а ких примесных центров в полупроводниках, дающий воз- электронный уровень подходит к непрерывному спектру.

можность определять многофононные параметры глубоких примесей, структуру их адиабатических потенциалов и кинетику захвата неравновесных носителей.

Рассмотрим простейший случай, когда глубокая приДанный обзор посвящен рассмотрению процессов иомесь имеет одно связанное состояние. Ясно, что эта низации глубоких примесных центров под влиянием модель непосредственно применима к захвату на неймощного импульсного ДИК–СБММ-излучения. В раздетральные центры, а в п. 1.5 будет показано, что основные ле 1 рассматривается теория ионизации глубоких примевыводы можно использовать и при рассмотрении глусей постоянным и высокочастотным электрическим побоких притягивающих центров. Положение локального лем, в разделе 2 обсуждаются детали экспериментальных уровня определяется потенциалом, наводимым примеметодик и объекты исследования, в разделе 3 рассмотресью, и существенно зависит от расстояния примеси ны условия наблюдения туннельной ионизации и обсудо соседних атомов. Таким образом, колебания приждаются альтернативные механизмы, в разделе 4 привемеси и решетки модулируют положение локального дены и детально обсуждаются результаты эксперименэлектронного уровня, как это показано на рис. 1. В тов, в главе 5 рассмотрено применение метода многофослучае сильных тепловых колебаний уровень может нонной ионизации примесей ДИК–СБММ-излучением в конечном счете выйти в непрерывный спектр, что для изучения динамики релаксационных процессов на приводит к ионизации примеси [79]. Для количепримере исследования кинетики захвата неравновесных ственного рассмотрения обычно используют одномодоносителей в GaP : Te, а в разделе 6 содержатся основвую модель, описывающую колебания примеси изменые выводы. В Приложении рассмотрены эффекты линением одной конфигурационной координаты x. Это нейного и нелинейного разогрева электронного газа приближение оправдано, так как основную роль при ДИК-излучением и показано, что эти эффекты не играют многофононной ионизации глубоких примесей и захвасущественной роли в экспериментах, рассматриваемых в те на них играет дыхательная мода (breathing mode) настоящей работе.

локальных колебаний. В рамках адиабатического приближения электронные переходы рассматриваются как происходящие при фиксированном значении конфигу1. Ионизация глубоких примесей рационной координаты x, а колебания самой примеси электрическим полем определяются потенциалом, создаваемым окружающими атомами с учетом усредненного поляризационного 1.1. Адиабатическое приближение поля, наводимого локализованным электроном. Такой Энергия связи глубоких центров много больше ве- усредненный по электронному движению потенциал наличины средней энергии фононов, и поэтому тепловая зывается адиабатическим потенциалом и включает в эмиссия возможна только благодаря многофононным себя энергию электрона при фиксированном значении процессам. Поскольку электронные переходы происхо- координаты x.

дят намного быстрее, чем переходы в фононной системе, На рис. 2 показаны две основные принципиально для описания электрон-фононного взаимодействия мож- возможные конфигурационные диаграммы: для случая но использовать адиабатическое приближение [78]. слабой электрон-фононной связи (a) и для случая силь1 Физика твердого тела, 1997, том 39, № 1908 С.Д. Ганичев, И.Н. Яссиевич, В. Преттл Рис. 2. Две основные принципиально возможные конфигурационные диаграммы. а — для случая слабой электрон-фононной связи; b — для случая сильной электрон-фононной связи, когда имеет место автолокализация, как например в случае DX-центров в III–V полупроводниках. Увеличенные траектории туннелирования показаны в нижней части рисунка.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 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.