WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1 Оптические характеристики комплексов, связанных с 1.18 эВ полосой люминесценции в n-GaAs : Sn(Si): результаты исследований фотолюминесценции при поляризованном резонансном возбуждении © А.А. Гуткин, Т. Пиотровский, Е. Пулторак, М.А. Рещиков, В.Е. Седов Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт электронной технологии, 02-668 Варшава, Польша (Получена 14 июля 1997 г. Принята к печати 14 июля 1997 г.) Экспериментальные значения поляризации низкотемпературного излучения комплексов VGaSnGa и VGaSiGa в n-GaAs при резонансном возбуждении поляризованным светом, распространяющимся вдоль кристаллографического направления [110] и [100], сопоставлены с выражениями, полученными в классическом дипольном приближении для дефектов триклинной и моноклинной симметрии. Показано, что доля ротатора в суперпозиции ротатора и осциллятора, представляющей излучение комплекса, составляет 1718%. Направление оси этих диполей, удовлетворяющее экспериментальным данным, согласуется с предположением, что влияние донора на вакансионные орбитали дырки, локализованной на комплексе, меньше, чем влияние эффекта Яна– Теллера. При этом симметрия комплекса может быть как моноклинной, так и триклинной. В обоих случаях отклонение оси оптического диполя комплекса от направления оси диполя изолированной VGa, искаженной вследствие эффекта Яна–Теллера, для комплексов VGaSnGa и VGaSiGa меньше, чем для комплексов VGaTeAs.

Последнее означает, что влияние донора на электронную структуру комплекса в VGaTeAs больше, чем в VGaSnGa и VGaSiGa. Это согласуется с различием в положении донора в этих комплексах.

1. Введение комплекса, позиции его компонент и (или) окружающих их атомов смещены из узлов решетки в идеальном Известно, что полоса фотолюминесценции (ФЛ) смак- кристалле благодаря существованию искажения, свясимумом вблизи 1.2 эВ в n-GaAs, связываемая с комплек- занного с ян-теллеровской дисторсией VGa. Последсами вакансии галлия (VGa) — донор (D) [1,2], может няя вызвана взаимодействием дырки, локализованной быть возбуждена резонансно, т. е. за счет оптических в излучающем состоянии комплекса на вакансионной переходов электронов с комплексов в зону проводимости орбитали, с F2-модой неполносимметричных колебаний или на уровни, лежащие вблизи ее дна [3–6]. Каче- окружающих VGa атомов As. Для изолированной VGa ственные закономерности поляризации этой полосы в такое взаимодействие приводит к тригональной симмеслучае, если свет, вызывающий такие переходы, поляри- трии исходно тетраэдрической квазимолекулы VGaAsзован, привели к заключению, что симметрия дефектов, и дает 4 эквивалентных конфигурации с различными вызывающих ее появление в GaAs, легированном Te, Sn направлениями тригональной оси типа 111. Для каили Si, не выше моноклинной [4–6]. Более детальный чественного сопоставления с экспериментальными данколичественный анализ результатов измерений этой по- ными в [6] предполагалось, что расщепление состояний ляризации выполнен только для GaAs : Te [7]. В настоя- VGa в тетраэдрическом кристаллическом поле превышает щей работе такой анализ, позволяющий сделать выводы их расщепление из-за ян-теллеровского взаимодействия о степени соответствия феноменологической модели, и влияния донора. В этом случае гамильтониан, описырассмотренной в [6], свойствам дефектов и оценить их вающий взаимодействие с F2-модой и влияние донора, в некоторые параметры, провден для комплексов VGaDGa базисе волновых функций типа Z, Y, X имеет вид [6] в GaAs : Sn и GaAs : Si, отличающихся от комплексов в 0 Q4 QGaAs : Te положением донора. Результаты исследования H = d Q4 0 Qдефектов в материалах с различными донорами сопостаQ5 Q6 влены друг с другом.

- 2 2. Дисторсии комплексов VGaDGa + - - ( + ), (1) 2 - ( + ) 2 Исходное положение компонент комплекса (VGa и DGa) в узлах неискаженной решетки GaAs отвечает где d — константа связи между дыркой и моноклинной симметрии дефекта и может характеризо- F2-колебаниями; Q4, Q5, Q6 — нормальные координаты, ваться направлением оси типа 110, соединяющей эти описывающие эти колебания и преобразующиеся компоненты. Однако, согласно модели, рассмотренной в соответственно как X, Y, Z;, и — параметры, работе [6], по крайней мере в излучающем состоянии описывающие влияние донора.

Оптические характеристики комплексов, связанных с 1.18 эВ полосой люминесценции... атомов квазимолекулы VGaAs4 и энергий ранее эквивалентных конфигураций этой молекулы [6]. Соответствующие этим конфигурациям направления результирующего сдвига VGa в комплексе показаны стрелками на рис. 1.

Ян-теллеровские конфигурации 2 и 3 (рис. 1), в которых дырка локализована в основном на оборванных связях атомов 2 или 3, исходно расположенных симметрично относительно донора, эквивалентны. Если они имеют наименьшую энергию, то приложение к кристаллу небольшого одноосного давления вдоль направления [111] в условиях низких температур должно привести к нарушению эквивалентности этих конфигураций в части комплексов и их неравномерному заселению (выстраивание дисторсий). Последнее должно вызвать ступенчатое изменение поляризации ФЛ в случае приложения одноосного давления при низких температурах. Поскольку подобный эффект наблюдался экспериментально при возбуждении комплексов за счет генерации электроннодырочных пар и последующего захвата дырок на комплексы (см., например, [6]), ранее предполагалось, что указанные конфигурации комплекса имеют наименьшую энергию [6,8]. Это соответствует 0, >-/4 в гамильтониане (1) и триклинной симметрии комплекса [6].

Однако такая ситуация возможна только в тех случаях, когда потенциал остова донора имеет минимум вблизи атомов 2 и 3 или может быть аппроксимирован потенциалом нулевого радиуса (-образным потенциалом) [9].

Причины, которые могли бы вызвать подобное поведение потенциала, неясны.

Более естественно предположить, что отталкивающий дырку потенциал остова донора монотонно убывает с расстоянием. В этом случае наименьшую энергию при нулевой внешней деформации имеет только одна конфигурация, соответствующая локализации дырки на оборванной связи наиболее удаленного от донора атома Рис. 1. Схематическое изображение дисторсий комплек(рис. 1), что соответствует <0, >/2 и моноклинса VGaDGa. 14 — номера атомов As, окружающих VGa.

ной симметрии комплекса [6]. Из-за отстутствия в комСтрелками показаны направления сдвига VGa в конфигурациях плексе эквивалентных конфигураций с наименьшей энер14. X, Y, Z — система координат, по которой преобразуются Q4, Q5, Q6. На вставке показан пример отсчета углов, и гией изменение направления дисторсии в определенных для оптического диполя комплекса в конфигурации 2.

группах комплексов под влиянием одноосного давления возможно только тогда, когда это давление компенсирует повышение энергии других конфигураций под влиянием донора. С таким выстраиванием дисторсий комплексов Можно считать, что влияние донора на вакансионVGaSnGa и VGaSiGa может быть связано ступенчатое возраные орбитали меньше, чем взаимодействие с F2-модой, стание поляризации полосы их ФЛ при температуре 2 K как это имеет место для комплексов VGaTeAs в GaAs и давлении 5 кбар в направлении [111] [6]. Скачок по(см., например [7]). Этот вывод следует из ряда ляризации этой полосы ФЛ вблизи нулевых давлений [6] экспериментальных данных, в частности, из отсутствия в этом случае должен быть приписан неконтролируемым видимого выстраивания дисторсий в случае одноосных дефектам, обладающим близкими оптическими свойствадавлений до 10 кбар вдоль направления [100] [6,8], а ми1. Однако прямые экспериментальные свидетельства, также из близости положений полос ФЛ для комплексов, позволяющие сделать выбор между двумя вариантами включающих различные доноры (TeAs, SnGa, SiGa, SAs), в модели, в настоящее время отсутствуют. В связи с этим то время как энергия ян-теллеровской стабилизации для VGaTeAs превышает 200 мэВ [7]. Авторы выражают благодарность проф Дж.Д.Уоткинсу, предложившему такое объяснение и указавшему, что во многих близких В соответствии с этим в 1-м порядке теории возпарах вакансия–донор в полупроводниках AIIBVI реализуется именно мущений влияние донора при образовании комплекса рассматриваемая в этом случае конфигурация (см., работу [10] и VGaDGa приводит к некоторому изменению смещений ссылки в ней).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 42 А.А. Гуткин, Т. Пиотровский, Е. Пулторак, М.А. Рещиков, В.Е. Седов мы проанализируем результаты измерений ФЛ комплек- 3. Поляризация фотолюминесценции сов при поляризованном резонансном возбуждении, учисовокупности комплексов VGaDGa тывая обе возможности. Заметим также, что моноклинв GaAs ная конфигурация 1, отвечающая локализации дырки в основном на оборванной связи ближайшего к донору Поляризация ФЛ комплексов определялась экспериатома 1 (рис. 1), должна иметь наибольшую энергию и ментально так же, как в [4–7], в ортогональной схепоэтому вариант модели, в которой строение комплекса ме, при которой направления возбуждающего и наблюотвечает этой конфигурации нами не рассматривается.

даемого светового потоков совпадали соответственно Полные энергии (Wi) всех рассматриваемых конфигу- с кристаллографическими осями [110] и [001] (схема раций излучающего состояния комплекса, отсчитывае- [110]–[001]) или [100] и [010] (схема [100]–[010]).

мые от энергии исходного t2-состояния VGa в 1-м порядке Направление электрического вектора возбуждающего теории возмущений, могут быть определены через пара- света характеризовалось, как и ранее [7], углом, отсчитываемым от оси, перпендикулярной направлениям метры и с помощью гамильтониана (1) [6] возбуждающего и регистрируемого световых потоков.

Степень наведенной поляризации ФЛ () определялась W1 =-EJT + 2, отношением I () -I() 2 () =, (5) W2 = W3 = -EJT - ( + ), I () +I() где I () и I() — интенсивности ФЛ с электрическим вектором световой волны, параллельным и перпендикуW4 = -EJT - ( - 2). (2) 3 лярным оси, от которой отсчитывался угол.

Для анализа экспериментальных данных вычислим Здесь EJT — энергия ян-теллеровской стабилизации, () в классическом дипольном приближении, описыопределяемая соотношением вающем оптические свойства дефекта суперпозицией некогерентных осциллятора и ротатора [11], аналогично 2d тому, как это было сделано для комплексов VGaTeAs [7].

EJT =, (3) 3k Подобные вычисления справедливы в общем случае анализируемых центров и не накладывают никаких ограгде k — коэффициент упругости F2-моды колебаний.

ничений на соотношение между эффектом Яна–Теллера В том же приближении обобщенные координаты Q(1), iи влиянием донора.

(3) (4) Q(2), Qi0, Qi0 (i = 4, 5, 6), отвечающие этим конфигуКак и в [7], мы будем предполагать, что относиiрациям, равны тельные вклады ротатора (µ) и осциллятора (1 - µ) в поглощение равны их вкладам в излучение, направления EJT излучающего и поглощающего диполей совпадают (одноQ(1) = Q(1) = Q(1) = -, 40 50 d дипольное приближение), а интенсивность возбуждения мала, так что стационарная концентрация возбужденных EJT 4 + EJT - дефектов намного меньше концентрации дефектов с Q(2) = - +, Q(2) = +, d 6d 50 d 3d определенной ориентацией исходной оси. В настоящей работе мы будем рассматривать только случай низких EJT 2 + температур, когда в основном состоянии комплекса реаQ(2) = + ;

d 6d лизуются только конфигурации с наименьшей энергией, а в возбужденном состоянии невозможны термическая эмиссия комплексом дырок и переорентация дисторсий.

Q(3) = Q(2), Q(3) = Q(2), Q(3) = Q(2);

40 50 50 40 60 Распределение комплексов по возможным ориентациям исходной оси и конфигурациям с наименьшей энергией EJT 2 - Q(4) = Q(4) = +, считалось однородным, поскольку при нерезонансном 40 d 6d возбуждении поляризация не наблюдалась.

В этих условиях поляризация ФЛ при резонансном поEJT 2 - Q(4) = - +. (4) ляризованном возбуждении зависит от абсолютных знаd 3d чений направляющих косинусов (a, b, c) оси оптического Проекции равновесных сдвигов вакансии из узла на диполя комплекса. Согласно [6,7], эта ось параллельна оси X, Y, Z реального пространства пропорциональны направлению сдвига VGa (рис. 1). Для каждой из конфисоответственно Q40, Q50, Q60. В случае, если влияние гураций комплекса величины a, b, c будем определять в донора пренебрежимо мало ( = = 0), эти сдвиги локальной системе декартовых координат, оси которых в каждой из конфигураций происходят вдоль одного из параллельны направлениям 100 и выбраны так, чтобы направлений 111. проекции смещений вакансии на эти оси в отсутствие Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Оптические характеристики комплексов, связанных с 1.18 эВ полосой люминесценции... влияния донора были положительными (см. вставку на рис. 1). Вычисления показывают, что экстремальным значениям поляризации в обеих схемах экспермента соответствуют значения угла 0 и 90. При этом для схемы [110]–[001] ( = 0) =4(a2b2 +a2c2 +b2c2)(1 - 2µ)=, (a2+b2+2µc2)2+(a2+c2+2µb2)2+(b2+c2+2µa2)(6) а для схемы [100]–[010] ( = 0) =Рис. 2. Спектры фотолюминесценции и наведенной поляриза[(a2 - b2)2 +(a2 -c2)2 +(b2 -c2)2](1 - 2µ)=, :

(a2+b2+2µc2)2+(a2+c2+2µb2)2+(b2+c2+2µa2)2 ции (величины 1) для GaAsSn (a) и GaAs : Si (b). Концентрация доноров в образцах 1018 см-3. T = 77 K. Энер(7) гия фотонов возбуждающего света при измерении спектров и ( = 90) 0 для обоих случаев.

фотолюминесценции — 1.96 эВ, при измерении наведенной Триклинным центрам отвечает условие a = b = c, а поляризации — 1.37 эВ.

моноклиным — b = c = a. Как видно из выражений (6) и (7), измерение ( = 0) в двух указанных схемах эксперимента позволяет определить возможные при 77 K наблюдалась полоса ФЛ с максимумом вблизи значения µ 1.2 эВ, связываемая с комплексами VGaDGa. Спектры ± (31 + 22)(3 - 2) - (31 + 22) 1 возбуждения этой полосы были подобны наблюдавшимся µ = -. (8) ранее [5,6]. Ее поляризация, индуцируемая поляризо2 4 - 1 - ванным резонансным возбуждением, исследовалась при Для наглядности удобно выразить направляющие коуказанных выше ориентациях кристалла относительно синусы через углы и, определяемые в той же возбуждающего и наблюдаемого световых потоков.

системе координат, что и величины a, b, c для каждой Степень поляризации ( = 0) увеличивалась от из конфигураций (см. вставку на рис. 1) нуля при уменьшении энергии фотонов возбуждающего света ( exc) от 1.47 эВ и при exc < 1.38 эВ a = sin, b = cos cos(45 + ), практически переставала зависеть от exc. Последнее свидетельствует о том, что при exc < 1.38 эВ имеет c = cos sin(45 + ). (9) место только резонансное возбуждение комплексов. При Тогда подстановка (9) в (6) и (7) дает соотношение, этом ( = 90) 0, как и следовало ожидать.

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.