WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 12 Эффект Ханле в неоднородно легированном GaAs © Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, К.В. Кавокин, М.В. Лазарев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: dzhioev@orient.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 2 июня 2003 г.) В стационарных условиях оптической ориентации исследовано распределение спиновой плотности в гетероструктуре GaAs/AlGaAs. Дан подробный анализ динамики и релаксационных процессов, ответственных за установившуюся пространственную неоднородность спиновой ориентации. Определены концентрации акцепторной примеси в разных областях неоднородно легированного арсенида галлия. Концентрации определялись по временам спиновой релаксации, измеренным методом оптической ориентации.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований.

1. На спиновую ориентацию в полупроводниках возла- d -1 сильно меняется с изменением энергии квантов гают большие надежды в связи с ее возможным исполь- возбуждающего света Eh. Если скорость поверхностной зованием для записи, обработки и хранения информа- рекомбинации электронов достаточно велика (отции [1]. В последнее время наблюдается всплеск актив- ношение /d составляет величину порядка обратного ности в исследованиях спиновых явлений в разных мате- времени жизни спиновой ориентации Ts-1), ее можно измерить с помощью эффекта оптической ориентации.

риалах, в том числе и полупроводниковых. Обнаружены При T = 77 K наблюдалось изменение полуширины зарекордно большие времена спиновой памяти электронов висимостей (H) с изменением энергии возбуждения в n-GaAs [2]. Для p-GaAs показано, что время спиновой ( — степень циркулярной поляризации люминесценрелаксации превышает время жизни фотовозбужденных ции, H — поперечное магнитное поле), что и было электронов [3], а уменьшение ориентации происходит объяснено влиянием скорости спиновой релаксации и из-за переизлучения. В арсениде галлия и гетероструктурекомбинации на свободной поверхности GaAs [9,10].

рах на его основе можно управлять временем спиновой Однако подробное исследование кинетических парарелаксации с помощью внешнего магнитного поля [4], метров разными методами [3,11], проведенное позже на уровня легирования [2], электрического поля [5], энергии образцах GaAs с тем же уровнем легирования, дало провозбуждающих фотонов [6].

тиворечащий выводам работы [9] результат: поверхностМанипулирование электронным спином как носитеная рекомбинация в p-GaAs при 77 K незначительна и не лем информации органически связано с неоднородносдолжна оказывать влияния на оптическую ориентацию.

тью распределения спиновой плотности и транспортом В данной работе приведены результаты дополнительспина. Неоднородность распределения спина позволяет ных экспериментов на гетероструктурах p-GaAs/AlGaAs, также определять кинетические параметры рекомбинав том числе и на образцах, использованных в [9], и ции и механизмы переноса носителей заряда и их средвыяснена причина противоречивой трактовки результанего спина [3]. Заметим, что в полупроводниках первое тов экспериментов по эффекту оптической ориентации наблюдение перемещения неравновесного спина оптив [3,11] и [9]. Показано, что изменение темпа магнитной чески ориентированных электронов было осуществлено деполяризации люминесценции при изменении энергии в эксперименте с неоднородной структурой. Было продеквантов возбуждающего света связано с неоднородмонстрировано, что при перемещении электронов через ностью распределения концентрации акцепторов от поинтерфейс из сравнительно широкозонного полупроводверхности в глубь слоя p-GaAs в структуре, исследовавника в узкозонный спиновая ориентация сохраняется [7].

шейся в первых экспериментах [9].

Позже наблюдали и дрейф поляризованных по спину В работе [11] измерения проводились в стационарных носителей в варизонных структурах [8].

условиях при комнатной температуре с использованием Влияние неэквивалентности условий рекомбинации у высокочастотной (26.6 kHz) модуляции поляризации и поверхности кристалла и в его объеме на оптическую интенсивности люминесценции. Эта методика измереориентацию в легированном арсениде галлия было обния длины диффузии неравновесных носителей оснонаружено еще раньше [9]. Исследовались деполяризация вана на использовании самопоглощения, т. е. поглощекраевой люминесценции в поперечном магнитном поле ния рекомбинационного излучения в самом образце — (эффект Ханле) и зависимость темпа деполяризации в данном случае в кристалле GaAs [12]. Если известна от энергии квантов возбуждающего света. Идея опыта зависимость коэффициента поглощения от длины заключалась в следующем. В GaAs мы имеем дело волны света, по изменению формы линии люминесс прямыми оптическими переходами и, следовательно, ценции можно судить о распределении концентрации с большими коэффициентами поглощения. Опти- неравновесных носителей заряда.

ческая ориентация создается в тонком приповерхност- При облучении поверхности кристалла светом с энерном слое кристалла, эффективная толщина которого гией квантов Eh Eg пространственное распределение 2154 Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, К.В. Кавокин, М.В. Лазарев фотовозбужденных носителей в основном обусловлено методом термокомпрессии со стеклом, имеющим их диффузией в глубь образца и рекомбинацией. Распре- коэффициент термического расширения, близкий к деление концентрации неравновесных носителей в тон- характерному для арсенида галлия. В дальнейшем подложка и стопорный слой n-Al0.6Ga0.4As удалялись ких кристаллах (толщиной порядка диффузионной длихимическим травлением. Далее приводятся результаты ны электронов) зависит от скорости рекомбинации на экспериментов для двух образцов, которые отличаются поверхности, противоположной возбуждаемой. На свотолько толщиной слоя p-GaAs (2.5 и 5 µm).

бодной поверхности p-GaAs (p 1018 cm-3) скорость Параметры, характеризующие пространственное расповерхностной рекомбинации достаточно велика (при пределение электронов в слое GaAs, определялись по T = 300 K 0 = 8 · 105 cm/s [13]). Однако известно, что спектральной зависимости отношения интенсивностей при кристаллизации твердого раствора на поверхнослюминесценции Itr/Iref(), выходящей из слоя GaAs ти GaAs происходит пассивация: число дефектов и сочерез противоположные поверхности, т. е. в геометриях стояний, характерных для свободной поверхности GaAs, „на просвет“ и „на отражение“. Как известно, в GaAs существенно уменьшается [14], и в результате скорость коэффициент поглощения может меняться на три-четыповерхностной рекомбинации падает.

ре порядка в пределах полосы краевой люминесценИсследовать эти эффекты в тонких слоях удобнее ции и достигать на ее коротковолновом крае величин всего по спектральным зависимостям отношения инпорядка 104 [16]. Излучение, испускаемое при рекомтенсивностей люминесценции, выходящей через пробинации электронов в глубине слоя, выходит, как уже тивоположные поверхности плоскопараллельного оботмечалось, через обе его поверхности ослабленным разца: I1()/I2(). Это отношение не содержит параиз-за самопоглощения. При стационарном возбуждении метров, определяющих форму линии люминесценции, вблизи одной из поверхностей неоднородное пространчто облегчает анализ экспериментальных данных. Ход ственное распределение электронов, устанавливающеезависимости I1()/I2() определяется формой зависися в результате диффузии и рекомбинации, приводит мости () на краю поглощения и пространственным к тому, что люминесценция „на просвет“ проходит распределением носителей в кристалле.

в поглощающей среде в среднем больший путь, чем Работа по исследованию влияния неоднородности в люминесценция „на отражение“. Величина Itr/Iref близка распределении концентрации электронов и их спиновой к единице в длинноволновой области спектра (где коэфплотности на эффект оптической ориентации выполня- фициент поглощения мал) и убывает с уменьшением лась в три этапа. На первом этапе проводились экспери- длины волны люминесценции (по мере роста ). Таким образом, зависимость Itr/Iref() содержит информацию менты по измерению зависимости коэффициента поглоо пространственном распределении неравновесных элекщения от длины волны для исследуемых слоев GaAs тронов в кристалле, которую можно извлечь, сравнивая в спектральной области краевой люминесценции. На измеренные значения Itr/Iref() с рассчитанными. При втором этапе была измерена зависимость I1()/I2() и этом наибольшая чувствительность достигается, когда с использованием () определена скорость рекомбитолщина слоя составляет величину порядка диффузионнации на свободной поверхности GaAs при комнатной ной длины электронов.

температуре. Далее было экспериментально показано, Аналитическая зависимость Itr/Iref() выражается слечто при температуре 77 K рекомбинация электронов дующим образом:

на свободной поверхности GaAs незначительна и не d влияет на распределение концентрации электронов от n(Z)e-()(d-Z) dZ возбуждаемой светом гетерограницы в глубь слоя арItr =, (1) сенида галлия. На третьем этапе были выполнены Iref d эксперименты на образцах, которые использовались в n(Z)e-()Z dZ работе [9]. Исследовались спектры люминесценции и оптическая ориентация электронов в геометрии „на от- где n — концентрация электронов, Z — пространственражение“. Результаты этих экспериментов указывают ная координата вдоль нормали к поверхности кристалла, на существенную неоднородность легирования вблизи d — толщина слоя.

свободной поверхности кристалла GaAs. Чтобы найти n(Z), необходимо решить уравнение диффузии для неравновесных электронов при соответст2. Первая группа образцов представляла собой вующих граничных условиях „инверсные структуры“ [15], которые используют при производстве фотокатодов на основе GaAs. На подложке n(Z) Dn (Z) - = 0, (2) GaAs методом жидкостной эпитаксии выращивалась слоистая структура (n-Al0.6Ga0.4As)/(p-GaAs)/ Dn (0) =-I + 0n(0), (p-Al0.6Ga0.4As) толщиной 0.5 mm. Активный слой Dn (d) =-dn(d), p-GaAs толщиной 8 µm легировался германием до уровня (3-5) · 1018 cm-3. Буферный слой p-Al0.6Ga0.4As где D — коэффициент диффузии, — время жизни, толщиной 1-2 µm, легированный германием до уровня I — интенсивность накачки, 0 и d — скорости реком(5-8) · 1017 cm-3, покрывался слоем SiO2 толщиной бинации соответственно на возбуждаемой и противопо150-200 nm. Затем данная структура сплавлялась ложной ей поверхностях слоя.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Эффект Ханле в неоднородно легированном GaAs Рис. 1. Схема установки для измерения отношения интенсивностей фотолюминесценции в геометрии „на просвет“ и „на отражение“ (Itr/Iref).

При записи (2) учитывалось, что ширина пучка воз- на собственной частоте механического резонанса [17].

буждающего света много больше, а глубина его про- После линейного поляризатора P2 с осью пропускания, никновения в кристалл много меньше толщины слоя и ориентированной под углом 45 к оси деформации кварца [17], люминесценция „на отражение“ оказывается диффузионной длины электронов. Подставляя решение модулированной по интенсивности на этой же частоуравнения (2) в (1), получаем те. Интенсивность неполяризованной люминесценции ed-e-d/L ed-ed/L (люминесценции „на просвет“) остается постоянной.

(1 - ) - (1 + ) Itr 1+L 1-L = e-d, (3) С помощью объектива O2 оба пучка фокусируются на e-d-e-d/L e-d-ed/L Iref (1 - ) - (1 + ) 1-L 1+L входной щели спектрометра. Свет, прошедший через спектрометр, регистрируется с помощью фотоэлектронгде L = D — диффузионная длина электронов, ного умножителя (ФЭУ). Импульсы с ФЭУ поступают = d/L — безразмерный параметр, характеризующий на схему измерения отношения интенсивностей. Опоротносительный вклад рекомбинации на поверхности, ная частота генератора раскачки кварцевого модулятопротивоположной возбуждаемой (отметим, что поверхра M используется для формирования периодической ностная рекомбинация на возбуждающей поверхности последовательности импульсов одинаковой длительносне влияет на отношение Itr/Iref). В дальнейшем будем ти, поочередно открывающих два канала счета фотонов.

обозначать этот параметр для свободной поверхности За время экспозиции, необходимое для достижения закак f, а для интерфейса — как i.

данной точности, в первом канале накапливается число Оптическая схема установки для измерения Itr/Iref импульсов N1, пропорциональное Itr + Iref, а во втором изображена на рис. 1. Образец, закрепленный на торце канале — N2, пропорциональное Itr. При этом регулярного (не искажающего изображение) световода, Itr N1 -возбуждается лучом He-Ne-лазера ( = 6328 ). С по= - 1.

мощью сферического вогнутого зеркала SpM, установ- Iref Nленного на двойном фокусном расстоянии от образца, В измеренную величину Itr/Iref вводится поправлюминесценция „на отражение“ фокусируется на торце ка, учитывающая глубину модуляции интенсивности световода рядом с образцом. Вместе с люминесценцией, поляризованного пучка света. На рис. 2 показаны выходящей с другой стороны образца („на просвет“), она спектральные зависимости (кружки) этого отношения проходит на другой торец световода. Здесь можно полупри T = 300 (a) и 77 K(b).

чить два изображения (1 и 2), расположенные вертиНапомним, что величина Itr/Iref измерялась во всей кально, одно над другим. Свет, выходящий из световода, области спектра краевой люминесценции. Для определеоказывается неполяризованным. Один из пучков света ния кинетических параметров из формулы (3) необхопропускаем через поляроид P1. Далее два расходящихся димо знать значения коэффициента поглощения () в пучка люминесценции преобразуются в параллельные этом же спектральном диапазоне.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.