WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 Излучательная рекомбинация в структурах с квантовыми ямами Zn1-xMnxTe/Zn0.59Mg0.41Te — экситонная и внутрицентровая люминесценция © В.Ф. Агекян¶, Н.Н. Васильев, А.Ю. Серов, Ю.А. Степанов, У.В. Тазаев, Н.Г. Философов, G. Karczewski НИИ физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Петродворец, Россия Institute of Physics, Polish Academy of Science, 02-668 Warsaw, Poland (Получена 31 марта 2005 г. Принята к печати 15 апреля 2005 г.) Исследованы спектры экситонной и внутрицентровой 3d-люминесценции ионов Mn2+ в серии структур Zn1-x Mnx Te/Zn0.59Mg0.41Te с различной концентрацией марганца и шириной квантовых ям (КЯ). Показано, что относительные интенсивности излучения экситонов квантовых ям и барьера и их зависимость от уровня оптического возбуждения определяется в основном концентрацией марганца в КЯ, от которой зависит эффективность переноса экситонного возбуждения в 3d-оболочку Mn2+. Исследовано влияние ширины КЯ и концентрации марганца на кинетику затухания внутрицентровой люминесценции Mn2+.

PACS: 78.67.De, 71.35.Gg 1. Введение молекулярно-пучковой эпитаксии. В образцах 1 и 2 с шириной КЯ Lz = 7.8 нм, т. е. равной 26 монослоКристаллы группы II–VI, легированные марганцем, ям (МС), значение x равно 0.03 и 0.20 соответственно, являются важными люминофорами, электролюминес- в образцах 3 и 4 с Lz = 2.1нм (7МС) значение x также центные свойства которых подробно изучены [1,2]. Впо- равно 0.03 и 0.20, толщина барьеров во всех структурах следние годы проявился особый интерес к исследова- составляет 40 МС, или 12 нм. Люминесценция возбунию внутрицентровой люминесценции (ВЛ) марганца ждалась импульсным лазером на молекулярном азоте 4 (переход T1-6A1) и других оптически активных ионов, с энергией квантов 3.68 эВ (надбарьерное возбуждение, помещенных в нанокристаллические матрицы, посколь- длительность импульсов 5 нс) и второй гармоникой ку на параметры ВЛ должны влиять квантово-размер- импульсного лазера на IAG : Nd3+ с энергией кванные эффекты и ограничение миграции экситонного тов 2.33 эВ (подбарьерное возбуждение, длительность и внутрицентрового возбуждения в низкоразмерных импульсов 160 нс).

системах [3,4], изменение кристаллического поля и электрон-фононного взаимодействия и другие факторы.

3. Экситонная люминесценция Объектами большинства работ являются нанокристаллы, в частности, ZnS : Mn2+ (см., например, [5–13]), Во всех образцах наблюдаются полосы излучев то время как двумерные структуры II–VI, содержащие ния, соответствующие экситонам КЯ (QWx) и барьеионы переходной группы, изучены слабо. В исследора (Bx) (рис. 1). Энергии максимумов этих полос ванных ранее структурах с квантовыми ямами (КЯ) приведены для T = 80 K в таблице. Там же указаны Cd1-xMnxTe/Cd0.5Mg0.5Te [14] величина x приближаэнергии экситонов для объемных твердых растворов лась к 0.4, поскольку при x < 0.4 экситонный уровень того же элементного состава, определенные по резульв Cd1-xMnx Te оказывается ниже порога возбуждения татам работ [15,16]. Если данные этих работ точны, то 3d-оболочки Mn2+, и ВЛ не наблюдается. В настовеличины EQS в таблице соответствуют квантово-размерящей работе взучена широкозонная структура с КЯ ным сдвигам экситонных уровней QWx. Для образцов Zn1-xMnx Te/Zn0.59Mg0.41Te, рассмотрены кинетика ВЛ и 4 с узкой КЯ EQS равно 0.13 и 0.14 мэВ соотмарганца и соотношение между излучением экситоветственно, и для образца 2 с широкой — 0.09 мэВ.

нов барьера Zn0.59Mg0.41Te, экситонов КЯ Zn1-xMgxTe Что касается образца 1, то, если использовать для и 3d-оболочки Mn2+ для различных значений x и Zn1-xMnxTe близкую к линейной концентрационную ширины КЯ в зависимости от уровня оптического воззависимость ширины запрещенной зоны Eg(x) из [15], буждения.

величина EQS в пределах ошибки измерений оказывается равной нулю. По-видимому, такой результат является 2. Экспериментальные детали следствием неточности данных о Eg(x) в области малых концентраций марганца. Хорошо известно немонотонное Серия структур с КЯ Zn1-xMnxTe/Zn0.59Mg0.41Te, со- изменение Eg(x) в твердых растворах группы II–VI держащих по 100 периодов, была выращена методом с анионным замещением [17,18]. Аналогичную зависи¶ мость дает катионное замещение в Zn1-x MnxSe: в инE-mail: avf@VA4678.spb.edu тервале от 0 < x < 0.05 происходит уменьшение Eg(x) Излучательная рекомбинация в структурах с квантовыми ямами Zn1-xMnxTe/Zn0.59Mg0.41Te... Рис. 1. Спектры излучения экситонов КЯ (QWx) и барьеров (Bx) в Zn1-x MnxTe/Zn0.59Mg0.41Te при IE = 104 (сплошные линии) и 106 (штриховые линии) Вт · см-2 для образцов 1-4: a — x = 0.03, Lz = 26 МС, b — образец 2, x = 0.20, Lz = 26 МС, c — образец 3, x = 0.03, Lz = 7МС и d — образец 4, x = 0.20, Lz = 7 МС. Импульсное возбуждение квантами с энергией 3.68 эВ, T = 80 K.

на 170 мэВ, но при дальнейшем росте x Eg(x) моно- Обратимся к влиянию уровня возбуждения IE на тонно растет [19]. Таким же свойством, хотя и менее соотношение интенсивностей экситонов QWx и Bx. При ярко выраженным, по-видимому, обладают и другие росте IE от 104 до 106 Вт · см-2 в образцах 1 и 3 отнотвердые растворы группы II–VI с марганцем. Таким сительно усиливается экситон QWx, а в образцах 2 и 4, образом, значения EQS для КЯ с x = 0.03 будут со- наоборот, относительно усиливается экситон Bx (рис. 1).

ответствовать квантово-размерному сдвигу только при Эти изменения спектров дают представление о соотносоответствующей коррекции величины Eg(x) в области шении скоростей релаксации экситона из КЯ в барьер малых x.

и релаксации экситона QWx с возбуждением Mn2+.

Рассмотрим соотношение интенсивностей излучения экситонов QWx и Bx при T = 80 K (рис. 1). В образцах Энергетические характеристики (в эВ) экситонных состояний и 4 экситонное излучение из КЯ значительно слабее структур 1-4 при T = 77 K излучения из барьера, тогда как в образцах 1 и 3 наблюдается обратная картина. Это отличие определяется эфОбразец EQW EX1 EQS EB EX2 EQWB фективностью безызлучательной релаксации экситонов 1 2.35 2.35 0 2.66 2.67 0.с передачей возбуждения в 3d-оболочку Mn2+, которая 2 2.55 2.46 0.09 2.68 2.67 0.намного выше в образцах с высокой концентрацией 3 2.48 2.35 0.13 2.66 2.67 0.марганца. Определенное влияние на соотношение ин4 2.60 2.46 0.14 2.66 2.67 0.тенсивностей экситонов QWx и Bx может оказывать и скорость релаксации экситонов из барьера в КЯ, которая Примечание. EQW — экситон в КЯ, EX1 — экситон в объемном замедляется с уменьшением Lz, однако эксперимент кристалле того же состава, EQS = EQW - EX1, EB — экситон в показывает, что в нашем случае этот фактор не является барьере, EX2 — экситон в объемном твердом растворе того же состава, EQW B = EB - EQW.

основным.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 72 В.Ф. Агекян, Н.Н. Васильев, А.Ю. Серов, Ю.А. Степанов, У.В. Тазаев, Н.Г. Философов, G. Karczewski 4. Внутрицентровая люминесценция Mn2+ При увеличении времени задержки измерения ВЛ относительно возбуждающего импульса максимум ВЛ сдвигается в стороны меньших энергий по неоднородно уширенному контуру (рис. 3, a), поскольку время жизни возбужденного состояния T1 Mn2+ изменяется по неоднородно уширенному контуру вследствие миграции возбуждения, а также по другим причинам. Наибольший сдвиг наблюдается в образце 4, что может быть следствием большой роли интерфейсов в образце с узкой КЯ. Большая концентрация марганца и узость КЯ в этом образце делает эффективным перенос возбуждения между внутриямными и интерфейсными внутриямными ионами марганца, а также релаксацию возбуждения на тушащих центрах около интерфейсов. Более слабый сдвиг максимума в образце 1 отражает ослабление миграции при малой концентрации марганца и меньшую роль интерфейсов в широких КЯ. Величина спектрального сдвига ВЛ Mn2+ в образце 1 в зависимости от задержки может определяться значительной концентраРис. 2. Люминесценция экситонов КЯ (QWx) и барьеров (Bx) в Zn1-x MnxTe/Zn0.59Mg0.41Te при IE = 106 Вт · см-2;

a — образец 2 (x = 0.20, Lz = 26 МС), b — образец (x = 0.03, Lz = 7МС). Импульсное возбуждение квантами с энергией 3.68 эВ, T = 80 (сплошные линии) и 270 K (штриховые линии). Спектры нормированы по максимуму экситона QWx.

В случае малой концентрации марганца его возбужденные состояния при IE = 106 Вт · см-2 насыщаются, и экситон QWx усиливается относительно Bx даже при частичном насыщении релаксации экситона из барьера в КЯ(Bx QWx). При высокой концентрации марганца канал QWx Mn2+ далек от насыщения даже при сильной накачке, и частичное насыщение канала Bx QWx усиливает относительно экситон барьера.

При повышении температуры от 80 K во всех структурах происходит относительное усиление экситоРис. 3. Спектр ВЛ Mn2+ при T = 80 K: a — полоса на QWx (рис. 2), поскольку квазидвумерный экситон КЯ ВЛ при задержках 0 (штриховая линия) и 20 мкс (сплошобладает большей энергией связи, чем трехмерный экная линия) относительно возбуждающего импульса в образситон барьера. Тем не менее при высоком уровне возбуце 2 (x = 0.20, Lz = 26 МС), импульсное возбуждение кванждения излучение экситонов Bx наблюдается вплоть до тами с энергией 2.33 эВ, IE = 105 Вт · см-2 (стрелки — см.

комнатных температур. Следует отметить, что в отличие рис. 4, b); b — полоса ВЛ Mn2+ в образцах 1 (x = 0.03, от структур с КЯ группы III–V [20] мы не наблюдали Lz = 26 МС), 2 (x = 0.20, Lz = 26 МС) и 4 (x = 0.20, при температурах от 80 K до комнатной новых полос Lz = 7МС). Непрерывное возбуждение квантами с энергиизлучения, вплоть до IE = 106 Вт · см-2. ей 2.41 эВ, IE = 10 Вт · см-2, T = 80 K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Излучательная рекомбинация в структурах с квантовыми ямами Zn1-xMnxTe/Zn0.59Mg0.41Te... цией одиночных ионов Mn2+, на которых возбуждение локализовано и живет долго. Эти ионы находятся в более сильных по сравнению с марганцевыми кластерами кристаллических полях, и их излучение формирует низкоэнергетическое крыло контура ВЛ, поскольку при увеличении кристаллического поля энергия наинизшего возбужденного уровня Mn2+ 1T4 уменьшается, а основное состояние A1 к полю нечувствительно.

Увеличение концентрации марганца в КЯ сдвигает максимум ВЛ в сторону больших энергий (рис. 3, b).

Этот результат согласуется с увеличением постоянной решетки в Zn1-xMnxTe при росте x, приводящем к ослаблению кристаллического поля. Сравнение спектров образцов 2 и 4 показывает, что изменение ширины КЯ слабо влияет на положение и форму полосы ВЛ. Это является результатом незначительного различия величин кристаллических полей для интерфейсных и внутренних ионов, что обусловлено близкими значениями постоянных решетки в Zn0.59Mn0.41Te и Zn0.80Mn0.20Te и общим анионом КЯ и барьера. Однако роль интерфейсных ионов Mn2+ остается особой, так как, во-первых, на интерфейсе понижается симметрия кристаллического поля и, во-вторых, в области интерфейса концентрируются дефекты.

Обратимся к кинетическим свойствам ВЛ Mn2+, которые хорошо известны для объемных матриц (см., например, [21–26]), но практически не исследованы в КЯ. В образцах 2 и 4 при T = 80 K с ростом IE сильно изменяется форма начального неэкспоненциального участка профиля затухания (рис. 4, a). Это отражает влияние уровня возбуждения на спектральную зависимость времени жизни состояния T1 Mn2+ по его неодРис. 4. Кинетика ВЛ Mn2+ в Zn1-x MnxTe/Zn0.59Mg0.41Te нородно уширенному контуру вследствие насыщения, при импульсном возбуждении квантами с энергией 2.33 эВ, изменения условий миграции, кооперативного эффекта T = 80 K. a — затухание в максимуме контура для образцов (up-conversion) и других причин. При больших задерж- (x = 0.20, Lz = 26 МС), 4 (x = 0.20, Lz = 7МС) при уровнях возбуждения IE = 102 (штриховые линии) и 105 (сплошные ках затухание становится экспоненциальным, причем линии) Вт · см-2; b — затухание в максимуме контура для постоянная времени при одинаковой концентрации образцов 1-4 при IE = 102 Вт · см-2; c — затухание в трех марганца оказывается большей в более широкой КЯ точках контура (указаны на рис. 3, a) для образца 3 (x = 0.03, (13 и 11 мкс в образцах 2 и 4 соответственно). ГоLz = 7МС) при IE = 102 Вт · см-2. Интенсивности, нормироризонтальная миграция внутрицентрового возбуждения ванные при нулевых задержках, содержат вклады от хвостов более эффективна в широкой КЯ, тода как в узкой КЯ быстро затухающей экситонной люминесценции (вертикальвозбужденные ионы оказываются ближе к интерфейсам.

ные отрезки на кинетических кривых).

Зависимость от ширины КЯ указывает на то, что последнее обстоятельство оказывается важным, и это свидетельствует о значительной концентрации тушащих то неэкспоненциальный участок сильнее выражен в центров в области интерфейсов.

На рис. 4, b приведены профили затухания в макси- образце 1 с широкими КЯ, поскольку в образце муме полосы ВЛ при слабом возбуждении для всех ис- сочетание малой концентрации Mn2+ с двумерностью следованных образцов. Начальные вертикальные участ- марганцевых кластеров сильно ограничивает миграцию.

Как уже говорилось ранее, эффективность миграции в ки с очень быстрым затуханием на рис. 4, b и c не большой степени определяет спектральную зависимость связаны с ВЛ Mn2+, они являются вкладом хвоста времени жизни возбужденного состояния T4 по неоднокороткоживущего экситонного излучения КЯ, который родно уширенному контуру.

в образцах с малой концентрацией марганца сильнее как относительно ВЛ Mn2+, так и абсолютно. Видно, Профили затухания в образце 3 при слабом возбучто значение на экспоненциальных участках опреде- ждении с IE = 102 Вт · см-2 для центра и двух точек на ляется главным образом концентрацией марганца. Если полуширине полосы ВЛ (рис. 4, c) дают представление сравнивать образцы с малой концентрацией марганца, о спектральной зависимости кинетики при относительФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 74 В.Ф. Агекян, Н.Н. Васильев, А.Ю. Серов, Ю.А. Степанов, У.В. Тазаев, Н.Г. Философов, G. Karczewski но слабой миграции внутрицентрового возбуждения, в [23] В.Ф. Агекян, Н.Н. Васильев, А.Ю. Серов, Н.Г. Философов, В.Н. Якимович. ФТТ, 43, 1562 (2001).

частности о времени выхода профиля затухания на [24] V.F. Aguekian, N.N. Vasil’ev, A.Yu. Serov, N.G. Filosofov.

экспоненциальный участок.

J. Cryst. Growth, 214/215, 391 (2001).

Таким образом, установлено, что соотношение ин[25] В.Ф. Агекян. ФТТ, 44, 1921 (2002).

тенсивностей экситонного излучения из КЯ и барьеров [26] В.Ф. Агекян, Н.Н. Васильев, В.И. Константинов, А.Ю. Сев структурах с КЯ Zn1-xMnxTe/Zn0.59Mg0.41Te и его ров, Н.Г. Философов, В.Н. Якимович. ФТТ, 45 (2003).

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.