WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 2 Фотолюминесценция комплексов CuGaTeAs и CuGaSnGa в n-GaAs при резонансном поляризованном возбуждении © Н.С. Аверкиев, А.А. Гуткин, В.Е. Седов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 17 июля 2000 г. Принята к печати 26 июля 2000 г.) Исследована при 77 K фотолюминесценция образцов GaAs:Te:Cu и GaAs:Su:Cu n-типа с концентрацией электронов 1018 см-3. В спектре фотолюминесценции при межзонном возбуждении доминировала широкая полоса с максимумом при энергии фотонов 1.30 эВ (GaAs:Te:Cu) или 1.27 эВ (GaAs:Sn:Cu), вызванная рекомбинацией электронов с дырками, локализованными на комплексах CuGaTeAs или CuGaSnGa. Обнаружено, что длинноволновый край спектра возбуждения этой фотолюминесценции при энергиях фотонов менее 1.4 эВ определяется оптическим выбросом электронов с комплексов в зону проводимости или на мелкое возбужденное состояние. Значения поляризации фотолюминесцении при возбуждении поляризованным светом из этой спектральной области приводят к заключению, что исследованные комплексы не имеют дополнительных дисторсий, вызванных взаимодействием дырки, связанной на комплексе в излучающем состоянии, с локальными фононами низкой симметрии. Это отличает комплексы CuGaTeAs и CuGaSnGa от комплексов, содержащих вместо атомов Cu вакансию галлия (VGa). Такое различие отражает различную степень взаимодействия дырки, локализованной на орбитали изолированного глубокого акцептора в состоя2нии, соответствующем его состоянию в комплексе перед излучением (Cu- и VGa ), с низкосимметричными Ga колебаниями атомов. Возмущение орбиталей дырки, вносимое донором в комплексе, практически не изменяет это взаимодействие.

Известно, что оптические свойства комплексов, со- если после легирования Cu полупроводник остается держащих вакансию галлия (VGa) и мелкий донор (TeAs n-типа. В то же время, чтобы обеспечить интенсивную или SnGa) в соседних узлах решетки GaAs, в значитель- люминесценцию, концентрация Cu должна быть достаной степени определяются добавочными дисторсиями, точно высокой. Мы вводили Cu методом диффузии.

вызванными взаимодействием носителей, локализован- Этот процесс осложняется тем, что Cu образует ных на комплексе, с неполносимметричными фонона- эвтектику и химические соединения с As [10], ми [1–4]. Феноменологическая модель, качественно испаряющимся с поверхности GaAs в процессе описывающая пространственное строение и особенности диффузии или вводимым в ампулу для предотвращения оптических свойств этих дефектов, связывает их дистор- этого испарения. Удовлетворить указанным выше сии с эффектом Яна–Теллера, существующим в изолиро- условиям, касающимся концентрации Cu в GaAs, при ванной VGa [5,6]. Изучение трансформации этих свойств диффузии из напыленного слоя не удавалось. Поэтому при замене VGa другим глубоким ацептором существен- образцы получались диффузией из газовой фазы, для но для понимания влияния характеристик компонент чего в ампулу помещался кусочек Cu. В качестве комплекса на его свойства. В качестве объектов таких исходного материала использовались кристаллы n-GaAs, исследований могут быть выбраны комплексы CuGaTeAs легированные Te или Sn до концентраций электронов и CuGaSnGa, дающие в n-GaAs:Te(Sn):Cu при межзон- 1018 см-3, которые были получены методом ном возбуждении полосу фотолюминесценции (ФЛ) с Чохральского. В спектрах ФЛ этих кристаллов максимумом при энергии фотонов 1.3эВ [7–9]. Это доминировала широкая полоса с максимумом излучение связывается с захватом электронов из зоны при энергии фотонов вблизи 1.2 эВ, связываемая проводимости на указаные дефекты. В настоящей работе с излучением комплексов VGaTeAs и VGaSnGa.

исследованы свойства этой ФЛ при поляризованном ре- В кварцевую ампулу объемом 6см3 помещалось зонансном возбуждении. Результаты сопоставлены с ана- 6 ориентированных образцов, имеющих форму логичными данными для комплексов VGaTeAs и VGaSnGa. прямоугольных параллелепипедов размером 3 3 20 мм и кусочек Cu массой 100 мг.

Параметры диффузии — время 80 ч и температура 1. Образцы для исследования 760C — обеспечивали равномерное распределение и методика эксперимента комплексов в объеме образцов и концентрацию их в нужных пределах. Ампула охлаждалась вместе Чтобы свойства исследуемой полосы ФЛ опреде- с печью. После диффузии с поверхности образцов лялись только комплексами, возбуждаемыми резонансно сошлифовывалось 100 мкм, и образцы полировались за счет оптического выброса в зону проводимости, в травителе H2SO4:H2O2. Спектры ФЛ измерялись все комплексы в исходном состоянии должны быть при ее возбуждении He–Ne-лазером (плотность потока заполнены электронами. Это условие легко выполняется, была 2 · 1019 с-1 · см-2). ФЛ регистрировалась 4 178 Н.С. Аверкиев, А.А. Гуткин, В.Е. Седов Для определения степени поляризации ФЛ =(I - I)/(I + I) измерялись интенсивности излучения I и I с электрическим вектором, соответственно параллельным и перпендикулярным плоскости образца, на которую падал возбуждающий свет. Электрический вектор поляризованного возбуждающего света был перпендикулярен или параллелен направлению регистрируемого потока. Все измерения проводились при 77 K.

2. Результаты эксперимента Рис. 1. Спектры фотолюминесценции n-GaAs:Te:Cu (1) и В результате диффузии концентрация электронов в n-GaAs:Sn:Cu (2) при 77 K и межзонном возбуждении.

образцах практически не изменялась, а в спектрах ФЛ кристаллов исчезала полоса 1.2 эВ, и вместо нее появлялась и доминировала полоса, связанная с в области энергий фотонов PL = 0.9-1.55 эВ с комплексами CuGaTeAs и CuGaSnGa. Максимум этой помощью германиевого фотодиода. При резонансном полосы при межзонном возбуждении для образцов возбуждении ФЛ регистрировалась охлаждаемым с Te и Sn находился соответственно вблизи энергий парами азота ФЭУ с высоким квантовым выходом фотонов 1.3 и 1.27 эВ (рис. 1). Исследования показали, до энергий фотонов 1.2 эВ. Чтобы устранить что указанная ФЛ возбуждается в n-GaAs и фотонами влияние рассеянного возбуждающего света, перед с энергией ( ex), меньшей ширины запрещенной ФЭУ помещался фильтр из InP. Поляризация зоны (Eg) (рис. 2 и 3). Если при этом электрический ФЛ измерялась, как и в работах [2,4,11], в вектор возбуждающего света был перпендикулярен ортогональной схеме при двух конфигурациях направлению наблюдения, то ФЛ была поляризована эксперимента: 1) направление возбуждающего света в случае некоторых конфигураций эксперимента [110], направление регистрируемого излучения [001] (рис. 2 и 3). При электрическом векторе света, (конфигурация [110]–[001]), 2) направление возбуждапараллельном направлению наблюдения, поляризация ющего света [100], направление регистрируемого ФЛ отсутствовала. Указанные факты свидетельствуют, излучения [001] (конфигурация [100]–[001]).

В соответствии с этим грани образцов для исследования что излучающие центры анизотропны и равномерно были плоскостями (110) и (001) или (100) и (001). распределены по всем возможным ориентациям в крисРис. 2. Спектры возбуждения полосы фотолюминесценции 1.3 эВ (1) и зависимости степени ее поляризации 1 (2) и 2 (3) от энергии фотонов возбуждающего света при 77 K. Энергия фотонов регистрируемого излучения соответствует максимуму полосы.

a — n-GaAs:Te:Cu, b — n-GaAs:Sn:Cu.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Фотолюминесценция комплексов CuGaTeAs и CuGaSnGa в n-GaAs... 3. Обсуждение Приведенные в предыдущем разделе значения 1 и 2 позволяют определить параметры оптических диполей, описывающих исследуемые дефекты в однодипольном приближении. Поскольку для комплексов CuGaTeAs 1 = 0, а 2 = 0, ось оптического диполя этих дефектов, согласно расчетам [10,12,13], направлена вдоль одной из осей 111 кристалла. Это может быть либо ось, проходящая через атомы Cu и Te, либо одна из трех других осей 111 (рис. 4). Первый случай означает, что эффект Яна–Теллера отсутствует. Второй случай означал бы, что, напротив, эффект Яна–Теллера достаточно силен, и совместное влияние смещения атомов комплекса и поля донора оказывается как раз таким, что оптический диполь дефекта направлен по оси 111, не совпадающей с исходной осью CuGa–TeAs. Это предположение мало веРис. 3. Распределения степени поляризации фотолюминесцен- рятно, и потому следует считать, что комплекс CuGaTeAs ции 1 (1, 2) и 2 (3, 4) внутри полосы 1.3 эВ. Энергия фотонов не имеет ян-теллеровских дисторсий. Что касается комвозбуждающего света 1.385 эВ. 1, 4 — n-GaAs:Te:Cu; 2, 3 — плекса CuGaSnGa, то следует ожидать, что его симметрия n-GaAs:Sn:Cu.

моноклинна, и он имеет плоскость симметрии (рис. 4), поскольку, как показывают исследования аналогичного ему по исходному строению комплекса VGaSnGa, даже талле, а их возбуждение при ex < Eg по крайней взаимодействие с фононами низкой симметрии не понимере частично происходит за счет оптических переходов жает симметрии центра [2,3]. Для подобных центров электронов, связанных на центрах, в зону проводимости, 1 = 0, 2 = 0 и величина угла, определяющая а не путем захвата дырок. Насыщение спектральной направление оптического диполя (рис. 4), связана с зависимости поляризации при достаточно малых ex и 2 следующим соотношением [10]:

(рис. 2) указывает, что такое резонансное возбуждение в этой области энергий фотонов является единственным.

1 2 Как показано на рис. 3, степень поляризации излучения tg = ± + 1 ± + 1. (1) 2 1 практически не зависела от PL в области исследуемой полосы. Это означает, что вклад в нее центров с харакДля комплекса CuGaSnGa 2/1 0.5 и среди возможных теристиками, заметно отличающимися от характеристик величин угла, определяемых решением (1) (1 = 0, исследуемых комплексов, незначителен. Как следует из 2,3 = ±54.8), существует значение, соответствующее рис. 2 и 3, степень поляризации полосы при резонансотсутствию дополнительных дисторсий комплекса ном возбуждении светом с электрическим вектором, перпендикулярным направлению наблюдения, 1 (кон- ( = 0). По аналогии с комплексами CuGaTeAs можно предполагать, что и для комплекса CuGaSnGa именно это фигурация [110]–[001]) и 2 (конфигурация [100]–[001]) значение отвечает реальной ситуации. Совпадение для комплексов CuGaTeAs составляет 12 и 0% соответственно, а для комплексов CuGaSnGa 8 и 4%. оси оптического диполя с исходной осью комплексов Рис. 4. Возможные направления осей диполей, характеризующих оптические свойства комплексов CuGaTeAs (a) и CuGaSnGa (b) в GaAs. Маленькие светлые кружки изображают атомы As, большие светлые — атом Cu, темный — атом донора (Te или Sn).

4 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 180 Н.С. Аверкиев, А.А. Гуткин, В.Е. Седов CuGaTeAs и CuGaSnGa отличает эти комплексы от соот- (соответствующем состоянию акцептора в исследованветствующих комплексов, содержащих VGa вместо CuGa, ных комплексах перед излучением) центр, образованный в которых направления указанных осей заметно различа- изолированным атомом Cu, связывает дырку, взаимодейются благодаря смещениям атомов дефекта [2,4]. ствие которой c неполносимметричными колебаниями мало и не приводит к статическим дисторсиям ценОпределим теперь относительную долю (µ) ротатора тра [16]. Так как в комплексе (CuGa-донор) состояние в излучении и поглощении света оптическими диполями дырки представляет собой одно из расщепившихся под исследуемых комплексов. Согласно работам [2,10] влиянием донора состояний акцептора, можно ожидать, что и в этом случае указанная ситуация сохранится.

(31 + 22) ± (31 + 22)(3 - 2) µ = +. (2) 2С другой стороны, изолированная VGa в состоянии VGa 2 4 - 1 - и, по-видимому, VGa, которые могут соответствовать состоянию глубокого акцептора в комплексах (VGa-мелкий Подставив в (2) экспериментальные величины 1 и 2, донор) перед излучением, подвержена дополнительным получим примерно равные для комплексов CuGaTeAs и тригональным дисторсиям [17]. Эти дисторсии сами расCuGaSnGa два значения µ 0.28 и 0.82, которые щепляют исходное состояние VGa, связывающее дырку.

заметно больше значений 0.18 для комплексов VGaTeAs Влияние донора в комплексах (VGa-донор) не слишком и VGaSnGa [2]. Такое увеличение доли ротатора может велико по сравнению с влиянием этих дисторсий [2,4,16], объясняться, по крайней мере частично, отсутствием и взаимодействие дырки, локализованной на таком комдисторсий и связанного с ними смешивания волновых функций состояний комплексов, расщепившихся вслед- плексе, с колебаниями низкой симметрии сохраняется.

Поэтому дополнительные искажения имеют место и в ствие спин-орбитального взаимодействия. Это вызывакомплексах (VGa-донор).

ет увеличение относительной роли спин-орбитального расщепления, что уменьшает составляющую электриНастоящая работа была поддержана РФФИ (грант 98ческого вектора излучения, параллельную оси каждого 02-18327).

центра [14,15]. В рассматриваемом нами классическом дипольном приближении такое уменьшение поляризации Список литературы описывается увеличением доли ротатора µ.

Следует, однако, отметить, что в рамках модели три[1] Н.С. Аверкиев, А.А. Гуткин, Е.Б. Осипов, М.А. Рещиков, гонального комплекса акцептор–донор, в котором в В.Р. Сосновский. ФТП, 26, 1269 (1992).

результате спин-орбитального расщепления исходного [2] А.А. Гуткин, Т. Пиотровский, Е. Пулторак, М.А. Рещиков, t2-уровня акцептора основным, как и для валентной зоны В.Е. Седов. ФТП, 32, 40 (1998).

GaAs, становится состояние симметрии 8, минимальное [3] А.А. Гуткин, М.А. Рещиков, В.Е. Седов. ФТП, 33, значение 1 оказывается равным 25%. Это значение (1999).

превосходит экспериментальную величину в 2 раза. Та- [4] А.А. Гуткин, М.А. Рещиков, В.Е. Седов. ФТП, 34 (10), (2000).

кое расхождение теоретических и экспериментальных [5] A.A. Gutkin, N.S. Averkiev, M.A. Reshchikov, V.E. Sedov.

данных может быть связано с упрощенностью модели, в In: Defects in Semiconductors 18, ed. by M. Suezawa, которой не учитывается влияние случайных деформациH. Katayama-Yoshida (Mater. Sci. Forum., v. 196–201, pt 1, онных и электрических полей или смешивание основного 1995) p. 231.

состояния комплекса с состояниями, не происходящими [6] Н.С. Аверкиев, А.А. Гуткин, М.А. Рещиков, В.Е. Седов.

из исходного t2-уровня.

ФТП, 30, 1123 (1996).

[7] H.J. Queisser, C.S. Fuller. J. Appl. Phys., 37, 4895 (1966).

[8] К.Д. Глинчук, А.В. Прохорович, В.Е. Родионов. ФТП, 11, 4. Заключение 35 (1977).

[9] Н.С. Аверкиев, А.А. Гуткин, А.А. Исаков, Э.М. МагерраТаким образом, оптические свойства комплексов мов, В.Е. Седов. ФТП, 19, 893 (1985).

CuGaTeAs и CuGaSnGa в n-GaAs описываются моделью, [10] М. Хансен, К. Андерко. Структуры двойных сплавов предполагающей отсутствие дополнительных дисторсий, (М., Гос. науч.-техн. изд-во лит-ры по черной и цветной вызванных взаимодействием связанных на комплексах металлургии, 1962).

носителей с колебаниями низкой симметрии. Это явля- [11] А.А. Гуткин, М.А. Рещиков, В.Е. Седов. ФТП, 31, (1997).

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.