Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 5 Энергетическое состояние экситонов и спектры фотолюминесценции напряженных сверхрешеток ZnSЦZnSe й Н.В. Бондарь, В.В. Тищенко, М.С. Бродин Институт физики Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина (Получена 9 сентября 1999 г. Принята к печати 16 сентября 1999 г.) Приведены экспериментальные результаты исследований спектров экситонной фотолюминесценции напряженных сверхрешеток ZnSЦZnSe с несовершенными гетерограницами. Показано, что энергетическое состояние экситонов в таких структурах обусловлено влиянием как несовершенных гетерограниц, так и внутренних деформаций, которые возникают за счет рассогласований постоянных решеток полупроводников, образующих сверхрешетку.

1. Вступление ствие использования полупроводниковых материалов с различными решеточными параметрами. В нашем случае Известно, что оптические и электрические свойства решеточное рассогласование между ZnS и ZnSe состаполупроводниковых приборов на основе квантовых ям вляет 4.6%, из-за чего в слое ZnSe моет накапливаться (КЯ) и сверхрешеток (СР) в значительной степени зави- энергия, связанная с сжатием его элементарных ячеек, сят от того, насколько их толщина является одинаковой и начальный двумерный рост структуры может перейти в плоскости роста [1Ц7]. Неконтролируемые флукту- в трехмерный путем появления островков Ч так назыации приводят к образованию областей КЯ, толщины ваемый режим роста СтранскогоЦКрастанова [1]. Изкоторых отличаются от номинальной (LW ) на целое за недостаточных сведений о поверхностных процессах число параметров решетки. Вследствие этого гетерогра- абсорбции невозможно заранее однозначно определить, ницы между двумя разными полупроводниками, которые какая из этих причин обусловливает появление островобразуют КЯ, приобретают вид островков или долин ковой структуры на гетерограницах в напряженных КЯ роста [2]. В отличие от КЯ с идеальными границами и СР ZnSЦZnSe.

раздела энергетический спектр и поведение экситонов В данной работе приведены результаты эксперименв таких КЯ и СР определяются соотношением лате- тальных исследований энергетического спектра экситонов напряженных СР ZnSЦZnSe, выращенных меторальных размеров островков (DX) и радиуса экситонов дом фотостимулированной газофазной эпитаксии [10].

(R) [3]. При Dx R собственная люминесценция КЯ Установлено, что в результате флуктуаций образуются обусловлена рекомбинацией экситонов, локализованных области КЯ с толщинами, превышающими номинальную в ямах потенциального рельефа, который образовался на несколько постоянных решетки ZnSe, и латеральными вследствие флуктуаций толщины. Общей чертой КЯ с наличием беспорядка является стоксов сдвиг их спек- размерами, превышающими размеры экситонов на порядка. Значительное увеличение длины когерентности тра фотолюминесценции (ФЛ) относительно минимума экситонов в таких областях приводит к ситуации, в (максимума) спектра отражения (поглощения), так что которой становится возможным описывать данные СР полоса ФЛ попадает в область запрещенных состояний как набор отдельных КЯ с дискретными толщинами.

(малых значений коэффициента поглощения) КЯ [8Ц12].

Образовавшиеся области КЯ формируют свои компоПри исследовании образцов одиночных КЯ ZnSЦZnSe ненты полосы ФЛ, что подтверждается экспериментом.

установлено, что структура их спектров отражения (СО) Показано, что спектральное положение этих компонент в и ФЛ в значительной степени обусловлена несоверзначительной мере определяется внутренней деформацишенными гетерограницами [7Ц9]. Проведенный анализ ей исследованных СР ZnSЦZnSe. Обращается внимание одиночной полосы ФЛ позволил установить, что флуктуна то, что при анализе зависимости спектрального полоации в этих образцах не превышали одной постоянной жения полосы ФЛ необходимо учитывать существенную решетки ZnSe (5.6684 ).

зависимость высоты потенциального барьера для элекПри значительном увеличении латеральных размеров тронов от толщины КЯ, которая возникает вследствие островков (Dx R) и их толщины наблюдается качедействия деформации.

ственная перестройка экситонного спектра ФЛ и отражения. Одной из тривиальных причин, которые приводят к значительным отклонениям роста КЯ от послойного 2. Особенности энергетического (двумерного), может быть неоптимальный выбор паспектра напряженных квантовых раметров в ростовом реакторе, например температуры структур ZnSЦZnSe роста, скорости потоков компонент и др. [10]. Другая, более веская причина, обусловлена неизбежным появлениСостояние напряженной СР ZnSЦZnSe можно охаракем внутренних деформаций в квантовой структуре вследтеризовать тремя параметрами: постоянной СР в плос E-mail: vvti@iop.kiev.ua кости роста (a ) и двумя постоянными в направлении, Энергетическое состояние экситонов и спектры фотолюминесценции... перпендикулярном росту (a1,2, где 1, 2 Ч ZnSe, ZnS).

В случае псевдоморфного роста a = a0, где a0 Ч постоянная решетки подложки (например, GaAs). В другом случае, когда общая толщина СР является существенно выше критической и она находится в свободно посаженном (freeЦstanding) состоянии [15,16], a1G1L + a2G2Lb a =, (1) G1L + G2Lb a a1,2 = a1,2 1 - D1,2 - 1, (2) a1,1, C1, 1, где D1,2 = 2, C112, C122 Ч упругие постоянные, 1, CG1,2 Ч деформационные модули (shear moduls), a1,2 Ч объемные постоянные решетки ZnSe и ZnS. Величину деформации СР определяют тензором деформации (), диагональные компоненты которого равны [16] a 1, 1, xx2 = yy2 = - 1, (3) a1,Рис. 1. Зависимость e, Ec, f e от толщины квантовой ямы L. На вставке Ч толщинная зависимость величин и hh и Ev.

a1,1, zz2 = - 1. (4) a1,Внутреннюю деформацию можно разложить на изополупроводников с наличием или отсутствием деформатропную и одноосную составляющие, влияние которых ции (т. е. рассогласованных или согласованных по постона зонную структуру полупроводников имеет качественянной решетки) [5,16]. Воспользовавшись основными но различный характер. Изотропная составляющая деее положениями, вычислим величины разрывов зоны формации сдвигает по энергии зону проводимости (Ec) проводимости Efc и валентной зоныEfv в структуре и валентную зону (Ev) относительно их равновесных ZnSЦZnSe без деформации [16]:

положений. Величины сдвигов определяются через соответственно электронный (ac) и дырочный (av) дефор1 мационные потенциалы, которые являются составными 0 Efv =Eav + +, (5) 3 изотропного деформационного потенциала: a = ac + av.

Одноосная составляющая расщепляет вырожденную в 2 -точке валентную зону ZnSe на подзоны тяжелых (Evh) Efc = Ec - (Eg +Efv), (6) и легких (Evl) дырок, и соответствующую величину 1 где Eav = Eav - Eav, Eav Ч энергия, которая соответрасщепления определяют через одноосный деформациствует центру тяжести валентной зоны и связана с Ev онный потенциал (b) [15,16].

1,В расчетах в последнее время наиболее широко соотношением Ev = Eav +, где 1,2 Ч энергия спин3 1,используется теория, разработанная авторами [15,16] орбитального расщепления, Eg Ч энергия запрещенной (ФmodelЦsolidФ theory), которая соединяет в себе просто2 2 зоны, Ec = Eg +. Используя соответствующие велиту и практичность и позволяет рассчитать основные пачины, приведенные в таблице, получаем Efc 0.14 эВ раметры гетероструктур на основе параметров бинарных и Efv 0.9эВ.

Наличие деформации приводит к изменению внутренМатериальные параметры ZnS и ZnSe него состояния СР, и новые величины разрывов зон (Ec и Ev) связаны с Efc и Efv через соответствующие Параметр ZnSe ZnS Источник деформационные потенциалы [5]:

a, 5.6684 5.4093 [5] ac, av, эВ -3.65, 1.67 -4.09, 2.31 [5,15] Ec =Efc + ac, (7) Eg, эВ 2.823 3.84 [15,16] C11, C12, Мбар 0.859, 0.506 1.066, 0.666 [5Ц7] b, эВ -1.2 -0.7 [5,7,15] Ev =Efv + av + Evh, (8) G 1.447 1.803 [15] 0, эВ 0.143 0.070 [5,6] где при i j 1 относительное изменение объема равно Eav, эВ -8.37 -9.15 [15] (xx +yy +zz). Последний член в (8) обусловлен Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 590 Н.В. Бондарь, В.В. Тищенко, М.С. Бродин действием одноосной составляющей деформации [16]: затем уменьшается (для сравнения здесь же показана зависимость энергии электронов fe от L при постоянном 1 Efc 0.14 эВ). Такое поведение e(L) обусловлено Evh = + E001, (9) 3 2 ростом высоты потенциального барьера для электронов с ростом толщины КЯ.

E001 = 2b(zz - xx). (10) За счет частичного проникновения волновых функций Используя уравнения (1)Ц(10), можно рассчитать зави- электронов и hh дырок в барьер величина L, которую чувствуют последние, будет отличаться от реальной.

симость от L высоты потенциальных барьеров Ec и Используя уравнение (16), рассчитаем L и L для Ev, а также энергии электронов (e) и hh дырок (hh) e hh следующих параметров: L = 5.66, Ec = 10 мэВ и из первых уровней (n = 1) их размерного квантования Ev = 930 мэВ, в результате получаем L 12.3 и в приближении свободно посаженной СР при Lb = 60, e L 2.7. Таким образом, за счет сжатия волновых которые показаны на рис. 1. Зависимости Ec(L) и hh функций электронов при увеличении L наблюдается Ev(L) были рассчитаны с использованием уравнений начальный рост e(L), который также обусловлен и (7) и (8), а e(L) и hh(L) из решения трансцендентного одновременным увеличением Ec. В то же время для уравнения hh дырок L < L для всей области толщин, поэтому hh зависимость hh(L) пропорциональна обычной (1/L2).

(L)2 = Нетрудно убедиться, что зависимость e(L) переходит в 2mjj(L) обычную (1/L2) при начальной величине Ec > 0.1эВ.

1/На первый взгляд может показаться, что, поскольку j(L) - 2 arcsin j = e, hh, (11) Ec Ev, поведение Ehh(L) должно определяться Ec(v) поведением hh(L), но из-за значительной массы hh дырок величина hh(L) быстро спадает и в области где me = 0.17m0 и mhh = 0.6m0 Ч массы соответственно толщин L > 24, e hh, поэтому поведение Ehh(L) электронов и дырок в объемном ZnSe.

определяется электронной составляющей (рис. 1).

Зависимость энергии тяжелых экситонов (Ehh) от L в структурах ZnSЦZnSe с учетом внутренней деформации имеет вид 3. Экспериментальные результаты и их анализ Ehh(L) =Eg +e(L) +hh(L) - E2x(L), (12) 1. Исследованные СР ZnSЦZnSe были выращены мегде Ex(L) Ч энергия связи hh экситонов, которая также тодом фотостимулированной газофазной эпитаксии на зависит от L. Эту зависимость можно рассчитать, исподложках GaAs (001) и состояли из 80 КЯ ZnSe (11 ) пользуя решение уравнения Шредингера в модели Фдробного пространстваФ (the fraction dimension), через параметр, который определяет анизотропию электроннодырочного взаимодействия [7]:

Ex E2x = (13) 2, n - ( - 3) L = 3 - exp -, (14) 2aB где Ex = 21 мэВ Ч величина связи экситонов в объемном ZnSe, а aB = 50 Ч их боровский радиус, L Ч эффективная толщина КЯ, учитывающая проникновение волновых функций электронов и дырок в барьер:

1 L = L + L + +, (15) e hh ke khh L2 1/L =, (16) j 8Ec(v)mj 1/2mj(Ec(v) - j) =. (17) kj Из рис. 1 видно, что при учете зависимости Ec от Рис. 2. Спектр отражения и фотолюминесценции сверхрешетL величина e достигает максимума при L 20, а ки ZnSЦZnSe. T = 4.5K.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Энергетическое состояние экситонов и спектры фотолюминесценции... и барьеров ZnS (60 ), толщины которых определялись по скорости роста эпитаксиальных пленок ZnSe и ZnS на GaAs (001). Между СР и GaAs наращивался буферный слой ZnSxSe1-x (x = 0.07) с толщиной 0.4мкм для уменьшения влияния подложки на СР. В качестве источника возбуждения использовался HeЦCd-лазер с = 325 нм и средней мощностью 10 мВт, а для записи CO-галогеновая лампа. Образцы СР размещались в криостате с рабочей температурой T = 4.5 300 K, а регистрация спектров осществлялась с помощью монохроматора ДФС-12 и ФЭУ-79, который работал в режиме счета фотонов.

2. На рис. 2 и 3 показаны СО и ФЛ одной из отобранных СР, обусловленные рекомбинацией hh экситонов. Аналогичные спектры lh экситонов сдвинуты Рис. 4. Зависимость энергии экситонов Ehh от L с учетом (1) и на 200 мэВ в коротковолновую сторону [7]. Отметим без учета (2) внутренней деформации; кривая 2 получена при некоторые характерные особенности полученных спекEc = 0.14 эВ, Ev = 0.9эВ и E2x = 42 мэВ [7]; точки Ч тров. СО, кроме основного (E1s = 2.997 эВ), имеет эксперимент.

ряд дополнительных минимумов с энергиями 2.963 и 2.936 эВ, которые наблюдаются наиболее четко (рис. 2).

Одиночная полоса ФЛ, которая показана на том же рисунке, имеет ширину (на полувысоте) 50 мэВ и что каждая компонента наиболее четко проявляется асимметричную форму с затянутым длинноволновым только в определенной области поверхности СР, последкрылом, на котором можно наблюдать несколько пиняя была просканирована лазерным пятном возбуждения ков, отмеченных стрелками. Наличие пиков позволяет (r 30 мкм). В результате обнаружено 9 различных предположить, что полоса не является элементарной, а компонент полосы ФЛ, соответствующих 9 различным состоит из нескольких компонент. С целью более точного участкам поверхности СР и обозначенных нами как Ehh, 1 2 определения положений их максимумов и учитывая то, Ehh, Ehh,... Ehh (на рис. 3 показаны только 4 из них).

Мы установили, что спектральное положение каждой компоненты не зависело от T в области величин, которые не влияют на изменение ширины запрещенной зоны ZnSe, т. е. при T < 100 K. Спектральное положение каждой компоненты также не зависело от интенсивности возбуждения вплоть до величин, где существенными становятся экситон-экситонные столкновения (максимальная величина возбуждения 1021 фот/см2 с). Это дает возможность предположить, что природа излучения этих компонент обусловлена рекомбинацией свободных hh экситонов, находящихся в пространственно различных областях КЯ. В результате увеличения латеральных размеров последних увеличивается длина когерентности экситонов, что дает возможность наблюдать отдельные компоненты полосы ФЛ. На рис. 4 построена экспериp ментальная зависимость Ehh(L), где p = 0, 1, 2,... 8, исходя из условия, что экситонам с энергией 2.997 эВ соответствуют области КЯ с номинальной толщиной Lw = 11, а каждому следующему низкоэнергетическому минимуму (максимуму) СО (ФЛ) Ч области КЯ с L = Lw + na1, где n = 1, 2, 3,.... Общий характер экспериментальной и теоретической зависимостей на рис. позволяет сделать вывод, что СО и ФЛ исследованных СР обусловлены структурными флуктуациями толщины КЯ, которые входят в состав СР.

Обе теоретические зависимости Ehh(L) (кривые 1 и 2) отклоняются от экспериментальных точек в области L > 20. Если пренебречь влиянием внутренней деРис. 3. Компоненты полосы фотолюминесценции, соответформации на состояние экситонов в КЯ (кривая 2), то ствующие некоторым участкам поверхности СР ZnSЦZnSe.

видно, что уже при L 80 их энергия равна примерно T = 4.5K.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам