WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 2 Излучение свободного и связанного экситонов в напряженных пленках ZnTe, выращенных на подложках GaAs (100) © В.В. Зайцев, В.С. Багаев, Е.Е. Онищенко, Ю.Г. Садофьев Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия E-mail: zaitsev@sci.lebedev.ru (Поступила в Редакцию 2 августа 1999 г.

Исследованы спектры отражения и низкотемпературной фотолюминесценции пленок ZnTe, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs (ориентация (100), отклонение на 3 к 110 ).

Показано, что деформационное расщепление свободного экситона (Eex) не зависит от толщины пленок ZnTe в диапазоне 1–5.7 µm и обусловлено двуосным растяжением пленки в плоскости слоя. Величина напряжений определяется в основном разницей термических коэффициентов пленки и подложки. При этом показано, что остаточные напряжения, обусловленные неполной релаксацией параметра решетки пленки к его равновесному значению при температуре роста, также вносят определенный вклад. Положение линии локализованного на нейтральном акцепторе (As) экситона хорошо описывается в рамках существующих моделей, учитывающих напряжения, величина которых вычислена на основе значения Eex.

Данная работа выполнена в рамках проектов Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 98-02-16980, № 97-02-16721 и № 99-02-18161) и проекта Межведомственной программы ФТНС министерства науки РФ № 97-1045. Работа также частично поддержана грантом поддержки научных школ РФФИ (№ 96-15-96341).

ZnTe является перспективным материалом оптоэлек- подложку охлаждали до температур 250-280C, вытроники. Обладая большой шириной запрещенной зоны держивали в потоке паров цинка для предотвращения (Eg = 2.26 eV при 300 K), он, в частности, широко ис- образования соединения Ga2Te3. Зарождение эпитаксипользуется в качестве барьерного материала в различных альной пленки ZnTe проводили при этих же темперанизкоразмерных структурах [1–7]. Как правило, при турах. После формирования системы стержнеобразных создании этих структур ZnTe выращивается с помощью рефлексов на картинах дифракции быстрых электронов, различных эпитаксиальных методов на подложках GaAs.

возникающей при осаждении покрытия толщиной около Одной из особенностей изучаемых гетероструктур, как 100 nm, температуру подложки повышали до 320-350C будет показано далее, является наличие в пленках ZnTe и поддерживали постоянной до окончания эпитаксиальдеформаций, обусловленных как термическими, так и ного процесса. Скорость роста эпитаксиального слоя остаточными напряжениями. Используемые в работе составляла 0.2 nm/s. Поддержание отношения эквиваметоды низкотемпературной оптической спектроскопии лентных давлений молекулярных пучков Te2 и Zn на (спектры отражения и фотолюминесценции) позволяют, уровне 2.0 обеспечивало на поверхности растущей пленс одной стороны, исследовать влияние напряжений на ки сосуществование реконструкций с (22)+(21), что различные оптические переходы, а с другой стороны, соответствовало наиболее близким к стехиометрическим провести количественные расчеты величин тензора деусловиям роста.

формаций, а также сделать определенные выводы о приИзмерения спектров фотолюминесценции и отражероде деформаций. Описанные выше вопросы будут расния проводились при температуре 5 K. Оптическое возсмотрены в данной работе на основе анализа оптических буждение производилось аргоновым лазером, работапереходов, обусловленных свободным и локализованным ющим в режиме генерации отдельных линий. Спектр на нейтральном акцепторе экситонах.

анализировался двойным монохроматором с предельным разрешением не хуже 0.01 nm. Cигнал с ФЭУ 1. Эксперимент регистрировался с помощью узкополосного усилителя с синхронным детектором. Эксперимент осуществлялЭкспериментальные образцы были выращены на устася с использованием системы автоматизации на базе новке молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) ”КаКАМАК.

тунь” после существенной доработки системы формирования молекуляных пучков и монтажа ионного маноме2. Экспериментальные результаты тра для контроля их эквивалентных давлений. Выращивание пленок проводили путем испарения элементов Zn и их обсуждение и Te из разделенных источников.

Прежде чем перейти к изложению результатов, подПосле удаления естественных окислов с поверхности подложки GaAs (ориентация (100), отклонение 3 к на- черкнем, что далее, на рис. 1–3, будут приведены спекправлению 110 ) прогревом до температуры 570±10C тры вторичного свечения, содержащие как линии излучеИзлучение свободного и связанного экситонов в напряженных пленках ZnTe, выращенных... ния, так и комбинационного рассеяния (КР), полученные при возбуждении различными квантами аргонового лазера. Это позволяет более четко выявить те особенности спектров вторичного свечения, которые обусловлены фотолюминесценцией. Естественно, что при этом в области краевого излучения ZnTe при разных квантах возбуждения будут проявляться различные линии КР [2,3]. В дальнейшем в этой работе комбинационное рассеяние рассматриваться не будет. В спектрах вторичного свечения каждая из линий КР будет обозначаться в виде nLO, где n соответствует числу испускаемых в процессе КР продольных оптических фононов.

Изложение результатов начнем с обсуждения спектров свободных экситонов в пленках ZnTe. На рис. 1–представлены спектры вторичного свечения пленок ZnTe толщиной 3.2 и 5.7 µm вблизи края поглощения телРис. 1. Спектры вторичного свечения (сплошная линия, лурида цинка. На рис. 1 и 3 приведены также спек = 488.0nm) и отражения (точки) пленки ZnTe толщитры отражения (СО), на которых отчетливо видны ной 3.2 µm.

два минимума, резонансно совпадающих по энергии с линиями излучения тяжелого (Xhh) и легкого (Xlh) свободных экситонов с энергиями Ehh = 2.3793 и Elh = 2.3743 eV соответственно, причем приведенные энергии не зависят от толщины ZnTe в диапазоне от до 5.7 µm (осцилляции в СО с длинноволновой стороны от Xlh обусловлены интерференцией света в пленке).

Подобная интерпретация X-линий основана на том, что особенность СО, связанная с Xhh, выражена значительно ярче, что находится в качественном согласии с выводом об относительных величинах сил осцилляторов Xhh и Xlh переходов в квазикубической модели [8]. Кроме того, сам факт появления особенностей в СО говорит об их экситонной природе. Расщепление свободного экситона естественно связать с наличием в пленках ZnTe напряжений, понижающих симметрию кубической решетки и соответственно приводящих к расщеплению вырожденной валентной зоны. Несмотря на очевидность Рис. 2. Спектр вторичного свечения пленки ZnTe толщиной и простоту приведенных выше аргументов, еще недавно 5.7 µmпри = 496.5nm.

существовали работы, в которых наличие напряжений в пленках ZnTe / GaAs отрицалось. Ссылки на эти статьи можно найти в [9], где, в частности, подробно проанализирован этот вопрос на основе статей 1988-1989 годов, посвященных исследованию пленок ZnTe, выращенных методами МПЭ и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложках GaAs и GaSb.

В настоящий момент наличие деформаций доказано и в других полупроводниковых пленках группы A2B6, выращенных различными эпитаксиальными методами на подложках A3B5. В частности, в [10–12] исследовались гетероструктуры CdTe / GaAs, а в [13–15] — ZnSe / GaAs.

Общий вывод из всех цитированных выше работ состоит в том, что напряжения в пленках зависят как от параметра несоответствия решеток f =a/a пленки и подложки, так и от разницы их температурных коэффициентов расширения. Отличие состоит в том, какой вклад вносят остаточные напряжения, обусловленные неполной Рис. 3. Cпектры вторичного свечения (1 —W = 20 W/cm2, релаксацией параметра решетки пленки к равновесному = 514.5nm; 2 — W = 4W/cm2, = 514.5nm) и отражения значению при температурах роста, и как эти напряжения (3) пленки ZnTe толщиной 5.7 µm.

зависят от ее толщины.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 232 В.В. Зайцев, В.С. Багаев, Е.Е. Онищенко, Ю.Г. Садофьев Используя известные выражения [8] для величины де- в экситонной области спектров излучения, причем СО формационного расщепления экситонов при наличии на- отсутствуют. Отметим, что даже при наличии четкой пряжений, симметричных вдоль основных направлений структуры в СО в излучении экситоны с большей энергив плоскости пленки (тензор деформаций xx = yy ) ей (Xhh) могут проявляться лишь в виде ”плеча” на фоне Xlh экситонов [21]. Учитывая, что разница в энергиях C11 + 2CXhh и Xlh составляет примерно 5 meV, что значительно Eex = Ehh - Elh = -2b, (1) Cпревышает kT при 5 K, ясно, что между зонами легких и тяжелых экситонов отсутствует термическое равновесие.

и для термического выражения Этим же обстоятельством объясняется одновременное Tp проявление в излучении 2S-состояний Xhh и Xlh экситонов (рис. 2), что, кстати, свидетельствует о том, что в T = ZnTe(T ) - GaAs(t) dT, (2) пределах каждой из зон полная термализация экситонов Te также не успевает установиться. Наличие четкого дублеможно рассчитать вклад в расщепление Eex экситона, та в экситонном излучении при низких температурах обусловленный разницей термических коэффициентов коррелирует с теоретическим выводом об увеличении расширения пленки (ZnTe) и подложки (GaAs). В времени спиновой релаксации дырки в экситоне при приведенных выше формулах: b — константа сдвигового увеличении деформационного расщепления Eex [26].

деформационного потенциала [8], C11 и C12 —константы На рис. 3 приведены спектры вторичного свечения упругой жесткости, Tgr и Texp — температуры роста пленок ZnTe толщиной 5.7 µm при = 514.5nm и и эксперимента соответственно, а T = Tgr - Texp.

двух уровнях оптического возбуждения, отличающихся Используя для ZnTe(T ) и GaAs(T ) данные из [16,17], примерно в 5 раз. Уже из рис. 3 видно, что Xhh и а для C11 и C12 из [16] и наиболее надежное значение Xlh по-разному зависят от накачки. При еще больших b = -13 eV [9,18,19], можно показать, что эксперимен- уровнях возбуждения Xlh cтановится доминирующей, при тальное значение Eex меньше Eex(t) примерно в этом Xhh проявляется в виде крыла на коротковолновом 1.4 раза. Соответственно экспериментальное значение краю Xlh (этот спектр на рисунке не показан). По = 0.9·10-4, а термическое T = 1.3·10-4. Этот факт видимому, увеличение населенности Xlh экситонов опреуказывает на то, что имеют место остаточные напряделяется уменьшением времени спиновой релаксации жения, обусловленные неполной релаксацией параметра дырки с ростом уровня возбуждения, что может быть решетки пленки к равновесному значению при темпераобусловлено генерацией неравновесных акустических туре роста. В самом деле, поскольку параметр решетки фононов. Отметим также слабое ( 1meV) расщепление пленки больше, чем у подложки ( f 7.6%), то осталинии Xhh (см. также рис. 2), которое не наблюдается на точные напряжения должны иметь отрицательный знак, более тонких пленках ZnTe (рис. 1). Подобное расщет. е. противоположный знаку термических напряжений пление, как правило, связывается с поляритонными эф(ZnTe(T ) > GaAs(T )). В силу этого результирующее фектами [24,27]. Так, в [24] коротковолновая компонента напряжение, определяемое формулой (1), может быть Xhh приписывается верхней, а длинноволновая — нижней меньше термических, определяемых уравнением (2).

поляритонной ветви. В рамках поляритонной модели Стоит отметить, что вычисленное по формуле (1) возможна, однако, и несколько иная точка зрения [27].

напряжение хорошо описывает положение каждой из Подробнее этот вопрос обсуждаться не будет, мы упоэкситонных линий мянули об этом лишь для того, чтобы подчеркнуть, что это расщепление не связано с деформацией.

C11 - C12 C11 + 2CEhh,lh = E0 + 2a ± b. (3) Обратим внимание, что на рис. 3 между линиями C11 C1LO и Xhh видна новая линия Ix, проявляющаяся в спектрах вторичного свечения лишь при возбуждении В уравнении (3) знак минус соответствует тяжелому, квантом 2.4097 eV ( = 514.5nm), величина которого а плюс — легкому экситону; a — гидростатический деформационный потенциал; E0 = 2.381 eV — положе- превышает дно зоны тяжелого экситона чуть больше чем на энергию оптического LO-фонона. Эта линия обние экситона в недеформированном ZnTe. Как будет условлена резонансным мандельштам–бриллюэновским показано далее, это же значение хорошо описывает положение линии экситона, локализованного на ней- рассеянием света (РМБРС) с испусканием одновременно оптического и акустического фононов. Насколько нам тральном акцепторе (A0X).

известно, ранее РМБРС в ZnTe наблюдалось только Прежде чем перейти к этому вопросу, сделаем еще ряд замечаний относительно дублетной структуры Xhh в объемных кристаллах [28]. Подробное обсуждение и Xlh излучения свободных экситонов. Анализ литерату- линии Ix в ZnTe / GaAs выходит за рамки данной работы.

ры [20–25] (см. также дополнительные ссылки в [9]) по- Заметим лишь, что наличие в спектрах вторичного свеказывает, что одновременное наличие четкой экситонной чения РМБРС, а также излучения, обусловленного как структуры как в спектрах излучения, так и в СО является основными, так и возбужденными состояниями тяжелого скорее исключением, чем правилом. Часто выводы в и легкого экситонов, указывает на достаточно высокое работах делаются лишь на основании весьма нечетких совершенство пленок ZnTe.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Излучение свободного и связанного экситонов в напряженных пленках ZnTe, выращенных... Перейдем теперь к рассмотрению влияния напряже- выражаются через параметры Латтинжера. Поскольку в ний на линию A0X — экситона, локализованного на пленках ZnTe / GaAs, как отмечено выше, акцептором нейтральном акцепторе. Будем для краткости обозначать является As, а в этом случае энергия связи дырки близэтот комплекс ЭНА. Сначала отметим, что, как пока- ка к теоретическому значению, полученному в рамках зано в [9], акцепторной примесью в гетероструктурах метода эффективных масс [29], будем исполльзовать ZnTe / GaAs является мышьяк (As), a согласно [29], полозначение b1, полученное из уравнения (5). Подставляя жение линии A0X в ненапряженном ZnTe соответствует значения i (i = 1-3) из [16], получим b1 = -0.91 eV.

2.375 eV.

Подставляя это значение в (4), получим для разрешенВлияние двуосных деформаций на излучение, обуслоного перехода энергию кванта, очень близкую к эксперивленное экситоном, локализованным на нейтральном ментальному значению энергии линии A0X (2.3693 eV):

акцепторе, более сложное в сравнении со свободным EA0 -W1 0.4 meV. Используя более сложные формулы X экситоном. Обусловлено это тем, что в данном случае из [30], учитывающие обменное взаимодействие exc, около отрицательно заряженной примеси (акцептора) получим, что EA0 = W1(exc) при exc 0.6meV.

X локализованы три частицы — две дырки и электрон.

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.