Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Особенности температурной зависимости фотолюминесценции сверхрешеток квантовых точек CdTe / ZnTe й В.С. Багаев, Е.Е. Онищенко Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия E-mail: evgeny@lebedev.ru Проведено исследование температурной зависимости люминесценции сверхрешеток квантовых точек CdTe / ZnTe (многослойных структур с квантовыми точками) с различной толщиной барьерного слоя ZnTe.

Показано, что тушение люминесценции с ростом температуры существенно зависит от толщины барьерного слоя ZnTe. Особое внимание уделяется обсуждению температурной зависимости люминесценции структуры с наименьшей толщиной слоя ZnTe, в которой существуют кластеры упорядоченно расположенных квантовых точек. Линия люминесценции туннельно-связанных квантовых точек, появляющаяся в этой структуре, показывает необычное температурное поведение Ч аномально большой сдвиг положения максимума линии и быстрое тушение люминесценции с ростом температуры.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-0216854, 02-02-17392), гранта поддержки ведущих научных школ (НШ-1923.2003.2) и комиссии РАНпо работе с молодежью.

1. Упругие напряжения играют определяющую роль расположении КТ в соседних слоях, а также в плоскости в процессе спонтанного формирования полупроводни- слоя; наблюдалось коррелированное расположение КТ ковых квантовых точек (КТ) в системе материалов с на протяжении до 6-7 слоев в направлении роста и сильно различающимися постоянными решетки. При до 6 островков в латеральном направлении [2]. Наряду росте многослойных структур напряжения ответствен- с такими кластерами упорядоченно расположеннных ны за формирование упорядоченных массивов КТ; они КТ в тех же образцах существуют области, где не влияют на форму и электронную структуру КТ. В этом наблюдается корреляции в расположении КТ. В спектре отношении интересны свойства многослойных структур фотолюминесценции (ФЛ) СРКТ с достаточно малой КТ CdTe / ZnTe. Особенность данной гетеропары состоит толщиной барьерного слоя наряду с линией излучения в том, что скачок потенциала в валентной зоне практи- ДизолированныхУ КТ (под этим термином будем почески полностью определяется упругими напряжениями, нимать островки CdTe, не имеющие близко располообусловленными различием постоянных решетки двух женных соседей в примыкающих слоях КТ) появляется материалов. Без учета напряжений скачок потенциала в дополнительная, более длинноволновая линия излучевалентной зоне составляет не более десяти процентов ния, обусловленная присутствием связанных в квантовоот разницы ширины запрещенных зон [1]. Это дает механическом смысле КТ.

дополнительную возможность управлять электронным 3. Измерения спектров ФЛ проводились в температурспектром структуры (например, менять тип зонной диа- ном диапазоне 5-200 K при стационарном возбуждении граммы), изменяя распределение упругих напряжений аргоновым лазером, работающим в режиме генерации за счет вариации параметров структуры (материала отдельных линий (4880, 5145 ), а также He-Cd буферного слоя, толщины барьерных слоев и т. д.). лазером (4416 ). Плотность мощности возбуждения 2. Исследованные сверхрешетки квантовых точек варьировалась от 1 mW / cm2 до 100 W / cm2. Также были (СРКТ) CdTe / ZnTe выращены методом молекулярно- проведены измерения спектров ФЛ при комнатной темлучевой эпитаксии на подложке GaAs (100). На подлож- пературе. Спектр анализировался двойным монохромаку наносился буферный слой CdTe толщиной 4.5 m, тором ДФС-24 с предельным разрешением не хуже 0.1.

на который затем наращивалась СРКТ, состоящая из 4. В отличие от структур с отдельными слоями КТ 200 слоев CdTe с номинальной ростовой толщи- CdTe / ZnTe, в которых латеральная миграция экситонов ной 2.5 монослоя, разделенных барьерными слоями ZnTe практически отсутствует [3], в СРКТ латеральная миграопределенной толщины (12, 25 и 75 монослоев Ч ция экситонов имеет место, что выражается в уширении структуры B12, B25 и B75 соответственно). Исследо- линий ФЛ с ростом температуры. Сдвиг максимума вания с помощью просвечивающей электронной микро- линии излучения в структурах B75 и B25, так же как скопии высокого разрешения показали, что в подобных и сдвиг максимума линии излучения изолированных КТ структурах отдельный слой КТ представляет собой слой в структуре B12, с хорошей точностью воспроизводит твердого раствора Zn1-xCdxTe, в котором присутствуют температурное изменение ширины запрещенной зоны КТ Ч области (островки) с повышенным содержанием ZnTe [4], что имеет место и для структур с отдельными кадмия диаметром 6-10 nm и толщиной до 2 nm. Было слоями КТ. Существенно иная кратина наблюдается установлено, что при толщине барьерного слоя ZnTe в случае линии излучения туннельно-связанных КТ в менее 25 монослоев в СРКТ появляется корреляция в структуре B12 (рис. 1), которая показывает аномально Особенности температурной зависимости фотолюминесценции сверхрешеток квантовых точек... островки с повышенным содержанием кадмия размером в плоскости слоя 5-10 nm и толщиной 1.5-3 nm. Однако, как было отмечено выше, в исследуемых СРКТ (в том числе и для линии излучения изолированных КТ в структуре B12) не наблюдается аномального сдвига максимума, за исключением случая линии ФЛ туннельно-связанных КТ. Поэтому можно предположить, что аномальный сдвиг связан с миграцией экситонов между различными КТ в пределах кластеров упорядоченно расположенных островков.

Для структур с КТ нетипично начало перераспределения экситонов между КТ при столь низких температурах, как 20-30 K. По-видимому, характерный разброс Рис. 1. Сдвиг максимума линии люминесценции изолироэнергий экситонных состояний в кластерах упорядованных КТ (кружки) и туннельно-связанных КТ (квадраты).

ченно расположенных КТ достаточно мал, чтобы уже Сплошной линией показано изменение ширины запрещенной при столь низких температурах оказывался возможным зоны ZnTe.

термоактивационный транспорт экситонов между КТ.

Исследования температурной зависимости интегральной интенсивности люминесценции СРКТ CdTe / ZnTe большой сдвиг максимума линии ФЛ с ростом темпепоказывают, что тушение ФЛ с ростом температуры ратуры Ч при повышении температуры с 5 до 50 K существенно зависит от толщины барьерного слоя ZnTe.

смещение максимума (15 meV) в 2.5 раза превышает И в этом случае поведение линии излучения туннельноизменение ширины запрещенной зоны ZnTe в этом связанных КТ является необычным, поэтому оно будет температурном диапазоне (6meV).

рассмотрено далее отдельно. Структура B75 демонАномальный сдвиг максимума линии люминесценции стрирует относительно заметную люминесценцию даже в определенном температурном диапазоне часто наблюпри комнатной температуре, в то время как интендается в структурах с КТ и квантовыми ямами (см., сивность люминесценции СРКТ с меньшей толщиной например, [5,6] и ссылки в них). Экситоны могут перемебарьера ZnTe падает с ростом температуры существенно щаться в плоскости слоя КТ (или в плоскости квантовой быстрее. Энергия активации тушения люминесценции, ямы с флуктуациями толщины), совершая туннельные определенная по зависимости интегральной интенсивпереходы между КТ (локальными миинимумами потенности люминесценции СРКТ от температуры, последоциала в квантовой яме). Такие переходы сопровождавательно уменьшается по мере уменьшения толщины ются испусканием (поглощением) фононов; при низких барьерного слоя ZnTe: от более 60 meV для структуры температурах миграция происходит преимущественно с B75 до менее 30 meV для линии ФЛ изолированных КТ потерей энергии. С ростом температуры помимо роста в структуре B12 (рис. 2). В то время как полученное вероятности перехода непосредственно в более глубокие для СРКТ B75 значение энергии активации 60 meV состояния появляется также возможность перехода в сопоставимо с тем, что наблюдалось ранее для струкболее глубокое состояние через ДпромежуточноеУ (ботур с одиночными слоями КТ CdTe / ZnTe со схожими лее высокоэнергетичное) состояние, в которое экситон номинальными ростовыми толщинами слоя CdTe [3], может перейти с поглощением фонона. Таким образом, с ростом температуры становится возможен перенос экситонов из менее глубоких в более глубокие локализованные состояния (например, из КТ меньшего размера в КТ большего размера).

В литературе рассматриваются и другие механизмы, ответственные за аномальный длинноволновый сдвиг максимума линии ФЛ в структурах с КТ ростом температуры. Так, в работе [7], посвященной исследованию температурной зависимости люминесценции КТ CdSe / ZnSe, предполагается, что аномальный сдвиг максимума связан не с переходами между различными КТ, а с переходами между различными состояниями в пределах КТ (островка); существование таких состояний может быть обусловлено сложной топологической структурой островков. Необходимо отметить, что КТ Рис. 2. Зависимость интегральной интенсивности люминесCdSe / ZnSe во многих отношениях напоминают исследуценции структур B75 (сплошная линия), B25 (штриховая емые КТ CdTe / ZnTe: слой КТ представляет собой слой линия) и линии излучения изолированных КТ в структуре Bтвердого раствора Zn1-xCdxSe, в котором присутствуют (точки) (нормировано на интенсивность излучения при 5 K).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 170 В.С. Багаев, Е.Е. Онищенко значения энергии активации порядка 30 meV нетипичны для структур с одиночными слоями КТ.

Столь существенное уменьшение энергии активации можно связать с изменением картины распределения упругих напряжений в СРКТ по мере уменьшения толщины барьерного слоя ZnTe. Проведенный нами ранее анализ спектров ИК-отражения структур B12, Bи B75 показал, что при большой толщине барьерных слоев ZnTe упругие напряжения сосредоточены в слоях Zn1-xCdxTe, а для СРКТ с малой толщиной барьера имеет место более сложная картина распределения упругих напряжений [8]. В структуре B75 (как и в структурах с одиночными слоями КТ) слои Zn1-xCdxTe (включая собственно КТ) испытывают двуосное сжатие, а барьерные Рис. 3. Спектры фотолюминесценции структур B12 при различных температурах. Для наглядности спектры нормированы слои ZnTe практически не напряжены, что и определяет и смещены по оси ориднат.

относительно большую глубину потенциальной ямы для тяжелой дырки в КТ. В структурах B25 и B12 слои ZnTe сильно растянуты толстым буферным слоем CdTe и слоями Zn1-xCdxTe, а слои Zn1-xCdx Te напряжены в за счет вариации состава буферного слоя, приводящей меньшей степени и соответственно глубина потенциальк перераспределению напряжений между слоями CdTe ной ямы для тяжелой дырки существенно уменьшается.

и Cd1-xZnxTe, можно изменять тип зонной диаграммы Тушение люминесценции КТ с ростом температуры обуструктуры. Наименьшую энергию может иметь либо словлено термическим выбросом носителей заряда из связанное состояние электрона и тяжелой дырки, локаКТ и их последующей безызлучательной рекомбинацией.

изованных в одном слое CdTe Ч структура первого Поскольку основная часть разницы ширины запрещентипа, либо связанное состояние электрона и легкой ных зон ZnTe и CdTe (0.8 eV), как было отмечено выше, дырки, локализованных в двух разных слоях (CdTe и приходится на зону проводимости, величина энергии Cd1-xZnx Te) Ч структура второго типа.

активации определяется глубиной потенциальной ямы В [8] высказано предположение, что вследствие надля дырки, а не для электрона.

ичия толстого буферного слоя CdTe люминесценция На рис. 3 показаны спектры люминесценции структутуннельно-связанных КТ в структуре B12 может быть ры B12 при различных температурах. Относительная инобусловлена пространственно непрямыми экситонами тенсивность линии излучения туннельно-связанных КТ (напряжения максимальны в области между двумя растет при повышении температуры до 40 K, при увелиостровками CdTe в соседних слоях КТ, что может чении же температуры до 80 K линия практически полприводить к возникновению потенциальной ямы для ностью исчезает из спектра. В структурах с отдельными легких дырок в этих областях, в то время как электроны слоями КТ CdZn / ZnTe обычно наблюдается обратная локализованы в островках CdTe). Это предположение ситуация Ч чем больше длина волны излучения (и подтверждается данными спектроскопии фотоотражесоответственно чем более сильно локализованы в КТ ния света (будет опубликовано в отдельной работе):

носители заряда), тем медленнее происходит тушение в спектрах фотоотражения особенность, связанная с люминесценции с ростом температуры [3].

туннельно-связанными островками, практически отсутОбъяснить наблюдаемую аномалию можно с учетом ствует, в то время как особенность, сязанная с изолизонной диаграммы структур CdTe / ZnTe, а также того рованными островками, проявляется четко, что свидефакта, что исследуемые СРКТ выращены на толстом тельствует о существенно меньшей силе осциллятора буферном слое CdTe. Вследствие особенности зонной экситона в первом случае по сравнению со вторым (как диаграммы CdTe / ZnTe глубина потенциальной ямы для и следует ожидать для непрямых экситонов).

электронов определяется в основном составом материа- В случае кластеров упорядоченно расположенных ла ямы и барьера, а для дырок упругими напряжениями.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам