Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 8 Кинетика фотолюминесценции GaAs под действием поверхностной акустической волны й К.С. Журавлев, А.М. Гилинский, А.В. Царев, А.Е. Николаенко Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 17 января 2001 г. Принята к печати 30 января 2001 г.) Проведено экспериментальное исследование кинетики низкотемпературной фотолюминесценции нелегированного GaAs под действием электрического поля поверхностной акустической волны. Показано, что приложение импульса поверхностной акустической волны с напряженностью поля до 50 В/см, задержанного на 20-30 мкс относительно лазерного импульса, приводит к значительному (до 10-20 раз) возрастанию интенсивности переходов зонаЦакцептор при незначительном изменении интенсивности линий донорЦакцептор и отсутствии возгорания экситонных переходов. Экспериментальные данные свидетельствуют об ионизации мелких доноров под действием электрического поля поверхностной акустической волны и подтверждают предложенную ранее модель механизма рекомбинации, объясняющую обнаруженное недавно длительное неэкспоненциальное затухание фотолюминесценции свободных электронов в чистом GaAs влиянием многократного захвата свободных электронов из зоны проводимости мелкими донорами.

Введение зволяющей сопоставить экспериментально наблюдаемые и расчетные значения темпов переходов.

К настоящему моменту механизмы и кинетика изНедавно, однако, нами было обнаружено, что опилучательной рекомбинации в арсениде галлия и близсанная картина релаксации возбуждения не учитывает ких полупроводниковых соединениях AIIIBV считаются существенных механизмов, определяющих кинетику рехорошо изученными. Основываясь на имеющихся ликомбинации свободных электронов в GaAs при низких тературных данных, можно построить следующую картемпературах. Было экспериментально показано, что затину релаксации неравновесных носителей заряда при тухание ФЛ зонаЦакцептор в нелегированном или слабо гелиевых температурах после импульсного межзонного легированном GaAs наблюдается вплоть до задержек фотовозбуждения. Сначала в течение нескольких нав 1-2 мс и следует закону, близкому к степенному носекунд кинетика краевой фотолюминесценции (ФЛ) вида IPL(t) 1/t, где < 1, весьма далекому от GaAs контролируется образованием и излучательным ожидаемого экспоненциального [5Ц9]. Эффект длительраспадом экситонов [1,2], а затем примесными перехоного затухания нестационарной ФЛ мелких акцептодами, причем из-за того, что сечение захвата свободных ров изменяет представление о доминирующих механиздырок мелкими акцепторами больше сечения захвата мах рекомбинаци в GaAs при низких температурах и свободных электронов мелкими донорами [1], переходы не может быть интерпретирован в рамках механизмов валентная зона Цдонор должны затухать значительно зонаЦпримесной, межпримесной (донорно-акцепторной) раньше, чем переходы зона проводимости Цакцептор.

и экситонной рекомбинаций, рассматриваемых как неПри этом следует ожидать, что при условии малости зависимые. Для объяснения длительного затухания ФЛ уровня возбуждения кривые затухания и тех и других пезонаЦакцептор был использован механизм [9], аналореходов будут следовать экспоненциальному закону, что гичный предложенному ранее при анализе кинетики приведет к исчезновению линий зонаЦпримесь в спектре люминесценции кристаллофосфоров [10,11]. Как было ФЛ через несколько единиц или десятков микросекунд показано в работах [10,11], при наличии в материале после выключения возбуждения [1,3]. Можно, следовацентров, являющихся ловушками носителей заряда, и тельно, заключить, что по прошествии указанного времеопределенных соотношениях на вероятности рекомбинани в спектре будут присутствовать только линии донор - ции, захвата и выброса носителей ловушками возможно акцептор, демонстрирующие сравнительно медленное завозникновение длительного затухания люминесценции тухание [4]. Обычно интерпретация экспериментальных свободных носителей, характеризуемого законом, близданных по кинетике примесной ФЛ в GaAs соответствует ким к степенному. В соответствии с этой моделью описанной схеме рассуждений. Так, в детальной работе для наблюдения длительного затухания требуется, чтобы по кинетике экситонной и примесной ФЛ [1] считавероятность захвата носителей ловушками значительно лось, что кривые затухания переходов зонаЦакцептор, превосходила вероятность его перехода на центр ререгистрируемые в интервале задержек 0-2мкс, можно комбинации и вероятность термоэмиссии с ловушки, аппроксимировать экспоненциальной зависимостью, поа степень заполнения ловушек в начальный момент затухания была близка к 100%. При этом благода E-mail: zhur@thermo.isp.nsc.ru ря многократному повторению захвата эмиттируемых с Tel: (3832)Fax: (3832)332771 ловушек носителей затухание ФЛ наблюдается в течеКинетика фотолюминесценции GaAs под действием поверхностной акустической волны ние промежутка времени, значительно превышающего время однократного пребывания носителя на ловушке.

Согласно этой модели, для наблюдения затухания ФЛ зонаЦакцептор в милллисекундном диапазоне ловушки должны иметь времена термоэмиссии электронов в диапазоне сотен или единиц миллисекунд. Поскольку времена тремоэмиссии электронов с глубоких уровней в GaAs при гелиевых температурах имеют величину в часы и месяцы [12], было высказано предположение, что в качестве обнаруженных ловушек в GaAs могут выступать мелкие доноры.

Для экспериментальной проверки предложенной моРис. 1. Схема приложения поверхностей акустической волдели и выяснения роли мелких доноров в возникновении ны к исследуемому образцу. Обозначения: IDT Ч встречноэффекта длительного затухания в данной работе провештыревой преобразователь, RF Ч переменное напряжение, дено исследование этого эффекта в условиях, обеспечиподаваемое на преобразователь, SAW Ч поверхностная акувающих возможность модификации соотношения вероятстическая волна, PL Ч люминесцентное излучение.

ностей захвата и эмиссии электронов ловушками. С этой целью было впервые выполнено исследование кинетики краевой ФЛ при приложении ионизирующего электрилась в пределах от 0 до 400 В/см. Измерялась кинетика ческого поля, создаваемого поверхностной акустической ФЛ зонаЦакцептор, донорЦакцептор и кинетика экситонволной (ПАВ), являющейся удобным средством для ной ФЛ под действием ПАВ. Измерения проводились в ионизации экситонов и мелких доноров в GaAs [13,14].

парах гелия при температуре 4.5-5K. Возбуждение ФЛ производилось импульсным Nd : ИАГ лазером ЛТИ-Методика эксперимента с удвоением частоты излучения (длина волны 532 нм), длительностью импульсов на полувысоте 120-150 нс с Изучалась кинетика ФЛ образцов GaAs, выращенных частотой повторения импульсов 5 кГц. Диаметр пучка на подложках полуизолирующего GaAs (100) методом лазера на образце составлял 300 мкм. Рекомбинационное молекулярно-лучевой эпитаксии. Приложение ПАВ к излучение, прошедшее двойной диффракционный моисследуеммому образцу производилось по схеме, принохроматор, регистрировалось охлаждаемым фотоэлекведенной на рис. 1. Встречно-штыревой преобразоватронным умножителем, работающим в режиме счета тель (ВШП) был нанесен на кристалл ниобата лития, фотонов с временным разрешением. Прямоугольные а исследуемый образец располагался вблизи его поимпульсы ПАВ длительностью 2-10 мкс подавались с верхности на расстоянии много меньше длины волны задержкой от 10 до 50 мкс относительно возбуждающего ПАВ и находился, таким образом, под действием элеклазерного импульса.

трического поля бегущей ПАВ, распространяющейся в ниобате лития [15]. Возбуждение и регистрация ФЛ производились сквозь ниобат лития, прозрачный на ис- Экспериментальные результаты пользуемых длинах волн. Такая схема приложения ПАВ и их обсуждение позволяет добиться почти в 100 раз большей эффективности преобразования подводимой в ВШП энергии На рис. 2Ц4 представлены кривые затухания краепо сравнению с вариантом, когда преобразователь на- вой ФЛ и эволюция спектра нестационарной примесной носится непосредственно на исследуемый образец [16], ФЛ образца нелегированного (намеренно) GaAs p-типа что обеспечивает значительное снижение тепловыделе- проводимости при приложении импульсов ПАВ. Толния на ВШП из-за омических потерь в нем. Максимум щина эпитаксиального слоя равнялась 5 мкм. По холамптилудно-частотной характеристики (АЧХ) преобра- ловским данным, концентрация мелких акцепторов в зователя, содержащего 15 пар электродов, располагал- слое составляла NA = 3 1014 см-3 при уровне компенся на частоте 70 МГц, что соответствует длине волны сации 1/3.

ПАВ 40 мкм. Время пробега ПАВ от ВШП до области На рис. 2 показаны кривые затухания ФЛ зона фотогенерации равнялось 3 мкс. Определение напряжен- проводимости Цакцептор под действием ПАВ. В отности электрического поля ПАВ в образце производи- сутствие ПАВ (нижняя кривая) наблюдается длительлось путем расчета из величины амплитуды нормальной ное неэкспоненциальное затухание ФЛ. При включекомпоненты смещения ПАВ, которая находилась по нии ПАВ с напряженностью электрического поля свыданным измерения эффективности дифракции лазерного ше 10 В/см наблюдается постепенное возрастание инпучка на отражение от ПАВ, распространяющейся по тенсивности переходов зона проводимости Цакцептор в поверхности кристалла ниобата лития. Напряженность течение импульса ПАВ. При повышении напряженности электрического поля, индуцируемого в образце, изменя- поля возрастание интенсивности ФЛ ускоряется. После Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 934 К.С. Журавлев, А.М. Гилинский, А.В. Царев, А.Е. Николаенко Рис. 2. Кривые затухания интенсивности переходов зона - акцептор (e, A) при приложении импульсов поверхностной акуРис. 3. Кривые затухания интенсивности переходов донорстической волны (ПАВ) различной амплитуды. Импульс ПАВ акцептор (D, A) при приложении поверхностной акустичедлительностью 10 мкс (показан на рисунке) задержан на 33 мкс ской волны (ПАВ). Напряженность электрического поотносительно лазерного импульса. Кривые соответствуют наля ПАВ, В/см: 1 Ч0, 2 Ч 10, 3 Ч 30, 4 Ч 100.

пряженности электрического поля ПАВ, снизу вверх: 0, 10, 20, 30 и 100 В/см. Для сравнения показана кривая затухания экситонной ФЛ при приложении ПАВ с напряженностью поля 400 В/см (X).

выключения ПАВ происходит медленное (на масштабе десятков микросекунд) затухание ФЛ. Отметим, что при напряженности электрического поля свыше 50 В/см затухание начинается уже во время действия импульса ПАВ, а не после его окончания, как при меньших значениях напряженности поля.

В отличие от кривых затухания ФЛ зонаЦакцептор, вид кривых затухания переходов донорЦакцептор при приложении ПАВ с напряженностью электрического поля до 30 В/см существенно не изменяется (рис. 3).

При дальнейшем увеличении напряженности поля интенсивность переходов донорЦакцептор в ФхвостахФ кривых затухания после импульса ПАВ постепенно снижается.

Кривая затухания экситонной ФЛ при приложении ПАВ с максимальной использованной амплитудой показана на рис. 5. Как видно из рисунка, приложение ПАВ с напряженностью поля вплоть до 400 В/см не вызывает возгорания экситонной ФЛ. Рис. 4. Эволюция спектра нестационарной фотолюминесценции мелких акцепторов со временем после возбуждения Возрастание интенсивности ФЛ зонаЦакцептор при при приложении импульса поверхностной акустической волны приложении импульса ПАВ свидетельствует об увели(ПАВ) длительностью 10 мкс, задержанного на 23 мкс относичении концентрации электронов в зоне проводимости тельно лазерного импульса. Амплитуда электрического поля за счет частичной ионизации ловушек, захватывающих ПАВ 50 В/см. Спектры, измеренные до начала импульса ПАВ, электроны. К ионизации ловушек приводит повышение показаны сплошными линиями (времена задержки, сверху вероятности эмиссии электронов в зону проводимости вниз, мкс: 0.4, 0.8, 1.5, 5 и 21); в течение импульса ПАВ Ч под действием электрического поля ПАВ. После выштриховыми линиями (времена задержки, снизу вверх, мкс: 24, ключения ПАВ вероятность эмиссии принимает преж26 и 28); после выключения ПАВ Ч пунктирными линиями нее значение, что снова приводит к установлению ре(времена задержки, сверху вниз, мкс: 35, 45 и 60). Направление жима длительного затухания. Такое поведение кривых модификации спектров при возрастании времени задержки затухания переходов зонаЦакцептор соответствует пред- иллюстрируется стрелками.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Кинетика фотолюминесценции GaAs под действием поверхностной акустической волны хание ФЛ зонаЦакцептор, значительно меньше глубины залегания мелких акцепторов, что также согласуется с предположением о том, что в роли данных ловушек выступают мелкие доноры (ED 6мэВ). Можно заключить, таким образом, что длительное затухание ФЛ обусловлено многократным захватом электронов из зоны проводимости на мелкие доноры.

Следует отметить, что модификация кривых затухания ФЛ при приложении ПАВ могла бы также быть вызвана выделением тепла на ВШП, приводящим к повышению температуры образца. Для определения диапазона амплитуд ПАВ, при которых нагрев ВШП не приводит к изменению кривых затухания ФЛ, было проведено дополнительное исследование кинетики ФЛ при приложении к ВШП напряжения с частотой вблизи минимума амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) преобразователя. При этом напряженность электрического поля ПАВ значительно уменьшалась, а выделение тепла на Рис. 5. Кривые затухания переходов зонаЦакцептор при подаче ВШП оставалось практически постоянным. На рис. на встречно-штрыревой преобразователь (ВШП) напряжения с приведены результаты измерений кинетики переходов частотой, соответствующей максимуму амплитудно-частотной зонаЦакцептор при подаче на ВШП резонансного и внехарактеристики (АЧХ) (верхние кривые), и смещенной к минимуму АЧХ (нижние кривые). Напряжение на ВШП U, мВ: резонансного возбуждающего напряжения амплитудой 1 Ч 20, 2 Ч 200. Для верхних кривых напряженность U = 20 и 200 мВ, что в максимуме АЧХ соответствует электрического поля ПАВ равна 40 (кривая 1) и 400 В/см напряженности электрического поля ПАВ 40 и 400 В/см.

(кривая 2) соответственно.

Как видно из рисунка, смещение частоты к минимуму АЧХ преобразователя при U = 20 мВ приводит к тому, что эффект ионизации доноров исчезает, а кривая затухания ФЛ совпадает с кривой в отсутствие ПАВ.

оженной модели механизма рекомбинации. При этом Таким образом, можно заключить, что нагрев ВШП не затухание ФЛ зонаЦакцептор в течение импульса ПАВ оказывает влияния на кинетику ФЛ при напряженности при напряженности электрического поля свыше 50 В/см электрического поля ПАВ менее 40 В/см. При повышеможет быть обусловлено увеличением количества элекнии напряжения на ВШП до 200 мВ в максимуме АЧХ тронов, транспортируемых из точки фотогенерации дви(напряженность электрического поля ПАВ 400 В/см) на жущейся потенциальной решеткой, созданной бегущей кривой затухания при временах задержки 1-20 мкс, т. е.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам