Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Анализ изменений интенсивности собственной люминесценции, происходящих после диффузии меди в полуизолирующие нелегированные кристаллы арсенида галлия й Ф.М. Воробкало, К.Д. Глинчук, А.В. Прохорович Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252023 Киев, Украина (Получена 9 июля 1997 г. Принята к печати 10 декабря 1997 г.) Проанализировано влияние диффузии меди в полуизолирующие нелегированные кристаллы GaAs на интенсивность собственной люминесценции. Показано, что диффузия меди в полуизолирующие нелегированные кристаллы GaAs может приводить как к повышению, так и понижению интенсивности собственной люминесценции. Получены аналитические соотношения, связывающие величину и знак эффекта с рекомбинационными параметрами указанных кристаллов, а также с интенсивностью возбуждения люминесценции.

1. Введение фициент рекомбинации c) в исходных кристаллах ПИН GaAs и полученных после диффузии в них меди кристаИзвестно, что высокотемпературный прогрев лах p-GaAs (электрические свойства этих кристаллов (T = 800-900C) полуизолирующих нелегированных детально описаны в [4,5]). В исходных кристаллах ПИН кристаллов арсенида галлия (ПИН GaAs) широко GaAs концентрации равновесных электронов и дырок используется для повышения их однородности (см., весьма малы по сравнению с их избыточными, созданнынапример, [1,2], а также обзор [3]). В процессе уками освещением, концентрациями n1 и p1. Диффузия занного термического воздействия возможна диффузия меди в рассматриваемые полуизолирующие кристаллы меди в объем кристаллов ПИН GaAs, существенно приводит к их преобразованию в низкоомные кристаллы изменяющая спектр локальных центров в них [1Ц3].

p-GaAs [4,5]. Поэтому в легированных медью кристаПоэтому в последние годы определенное внимание лах p-GaAs концентрация равновесных электронов весьуделяется изучению влияния меди на электрофизические ма мала по сравнению с их избыточной концентрацией (в частности, люминесцентные) свойства кристаллов n2, а концентрация равновесных дырок p0 может быть ПИН GaAs, что позволяет получить надежные как выше, так и ниже концентрации избыточных дырок сведения об индуцированных медью изменениях в p2 в них. В этом случае интенсивность собственной их энергетической структуре (см., например, [4,5], а люминесценции в исходных кристаллах ПИН GaAs Iтакже обзор [3]). Надежная работа также связана с и полученных после диффузии в них меди I2 опредеизучением влияния меди на люминесцентные свойства ляются соотношениями (предполагается, что толщина кристаллов ПИН GaAs. Ее сущность состоит в кристаллов d в направлении распространения света y следующем. В работах [1,2] наблюдались значительные существенно превышает длину диффузии электронноизменения интенсивности собственной люминесценции дырочных пар Id и глубину проникновения возбуждаюкристаллов ПИН GaAs после диффузии в них меди.

щего света 1/k):

При обсуждении полученных данных авторы [1,2] ограничились изложением наблюдаемых ими явлений и их качественным рассмотрением, что не позволило I1 = c p(y)n(y)dy, (1) выяснить характер приведенных ими закономерностей и дать их убедительное физическое описание. В отличие от работ [1,2] мы проведем детальный анализ влияния диффузии меди в кристаллы ПИН GaAs I2 = c [p0 + p(y)]n(y)dy. (2) на интенсивность собственной люминесценции и представим реальную картину происходящих при этом Далее предположим, что в обоих типах кристаллов при физических явлений.

используемых интенсивностях возбуждения люминесценции доминирует линейная объемная рекомбинация 2. Изменение интенсивности избыточных электронов (их время жизни n1 в исходных собственной люминесценции после кристаллах ПИН GaAs и n2 в легированных медью диффузии меди в кристаллы ПИН кристаллах p-GaAs) и дырок (их время жизни p1 в исходных кристаллах ПИН GaAs и p2 в легированных GaAs (теория) медью кристаллах p-GaAs), т. е. величины n1, n2, p1 и Найдем интенсивность собственной люминесценции p2, а также длины диффузии электронно-дырочных пар (она обусловлена прямой излучательной рекомбинацией ld1 в исходных кристаллах ПИН GaAS и ld2 в легиросвободных электронов и дырок, соответствующий коэф- ванных медью кристаллах не зависят от интенсивности Анализ изменений интенсивности собственной люминесценции, происходящих после диффузии... На рис. 1 схематически показаны вытекающие из выражений (5) и (6) зависимости I1, I2 = (L) при различных соотношениях между рекомбинационными параметрами исходных кристаллов ПИН GaAs (n1, p1, ld) и полученных после диффузии в них меди кристаллах p-GaAs (n2, p2, ld2). Как видно, в зависимости от соотношения между рекомбинационными параметрами исследуемых кристаллов (а именно, между величинами n1p1/ldи n2p2/ld2),3 а также используемой интенсивности возбуждения люминесценции на опыте после введения Рис. 1. Схематические (вытекающее из соотношений (5) меди в кристаллы ПИН GaAs может наблюдаться как и (6)) зависимости интенсивностей собственной люминесценпонижение (I2 < I1), так и повышение интенсивности ции от интенсивности возбуждения в исходных кристаллах собственной люминесценции (I2 > I1), т. е. величина и ПИН GaAs I1 (1) и полученных после диффузии в них атомов знак рассматриваемого эффекта зависят не только от меди I2 (2) при различных соотношениях между их рекоминдуицированных медью изменений величин n, p и ld, бинационными параметрами Ч n2p2/ld2 < n1p1/ld1 (a), но и от скорости генерации электронно-дырочных пар L n2p2/ld2 = n1p1/ld1 (b) и n2p2/ld2 >n1p1/ld1 (c).

(последнее является следствием различной зависимости интенсивностей I1 и I2 от L, а именно I1 L2 при любых L, а I2 L при L L2 и I2 L2 при L L2).

возбуждения люминесценции L.1 Также предположим, Действительно, как следует из соотношений (5), (6), что люминесценция возбуждается сильно поглощаемым при возбуждении люминесценции сильно поглощаемым излучением (коэффициент поглощения света k значи- светом:

тельно больше 1/ld).2 В этом случае распределение 1) I2 > I1 при L < L1 = 2(n2/n1)p0ld1/p1, концентраций избыточных электронов и дырок задается I2 = I1 при L = L1 и I2 < I1 при L > L1, если соотношениями [6] n2p2/ld2

2) I2 > I1 при L < L2 и I2 = I1 при L L2, если n(y) =n(0) exp(-y/ld), (3) n2p2/ld2 = n1p1/ld1 (см. рис. 1, b);

3) I2 > I1 при любых L, если n2p2/ld2 > p1n1/ldp(y) =p(0) exp(-y/ld), (4) (см. рис. 1, c).

где n(0) =Ln/ld и p(0) =Lp/ld Ч величины n и Полученные соотношения (5) и (6) в принципе могут p при y = 0.

быть использованы для выяснения причин, приводящих Тогда, как следует из уравнений (1)Ц(4), интенсивнок наблюдаемым в [1,2] изменениям интенсивности собсти собственной люминесценции в исходных кристаллах ственной люминесценции (увеличению в [1] и увелиПИH GaAs и после диффузии в них меди определяются чению и уменьшению в [2]) после диффузии меди в соотношениями (очевидно, I1, I2 L):

кристаллы ПИН GaAs (т. е. роли в этом эффекте индуцированных медью изменений величин n, p и ld).

c I1 = n1p1L2, (5) Однако отсутствие в указанных работах данных о ве2ldличинах n, p и ld в исследуемых кристаллах, а также о величине интенсивности возбуждения люминесценции LpI2 = cp0Ln2 1 + (6) делает невозможным использование соотношений (5) и 2p0ld(6) для количественного анализа приведенных в [1,2] данI2 = cp0Ln2 при L L2 = 2p0ld2/p2, т. е. ных, хотя и качественно они следуют из показанных на p2(0) = L2p2/ld2 2p0, и I2 = cn2p2L2/2ld2 рис. 1 возможных соотношений между величинами I1 и Iпри L L2, т. е. p2(0) 2p0; очевидно, точка (возможно, как I2 > I1, так и I2

времена жизни неосновных носителей тока относительно их рекомби- ные оценки эффекта и установить основные причины нации на локальных центрах существенно ниже времени жизни элекизменений интенсивности собственной люминесценции тронов и дырок относительно их прямой излучательной рекомбинации при диффузии меди в кристаллы ПИН GaAs.

= 1/c(p0 + p).

Приведенные далее выражения для n, p, I1 и I2 легко обобщаются на случай любых соотношений между k и1/ld [6]. Так, в частности, при При использовании для возбуждения люминесценции слабо поглоиспользовании для возбуждения люминесценции слабо поглощаемого щаемого излучения (k 1/ld) при последующем анализе соотношеизлучения (k 1/ld) приведенные далее соотношения для n, p, I1 ний между величинами I1 и I2 необходимо рассматривать соотношение и I2 справедливы, если в них заменить 1/ld на k. между величинами n1p1 и n2p2 (см. выше).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 572 Ф.М. Воробкало, К.Д. Глинчук, А.В. Прохорович 3. Методика нового лазера (h = 1.79 эВ, k = 3.4 104 см-1, L = 1022-1024 кв/см2 с). Протяженность области свеИсходными для опытов являлись кристаллы ПИН чения арсенида галлия определалась длиной диффузии GaAs (удельное сопротивление = 2 108 Ом см при избыточных носителей тока ld величина ld 10-4 см T = 300 K и увеличивается при понижении темпепревышала длину генерации электронно-дырочных пар ратуры, (T ) exp(0.75 эВ/kT )). Их проводимость излучением 1/k (0.25-0.3) 10-4 см и была сущеопределялась ионизацией дефектов EL2 (их концентраственно ниже толщины кристалла d(ld, 1/k d).

ция NEL2 = 1.6 1016 см-3, энергетическое положение При используемых уровнях возбуждения интенсивсоздаваемых ими уровней EL2 = 0.75 эВ), частично ность собственной люминесценции была значительно скомпенсированных мелким акцептором углеродом (его меньше интенсивности возбуждения, т. е. I1, I2 L.

концентрация NC 3 1015 см-3 < NEL2). Детально Типичный вид спектров люминесценции исходных и свойства исходных кристаллов ПИН GaAs описаны в [5].

егированных медью кристаллов (в них, помимо полосы собственного излучения в положением максимума hm = 1.44 эВ, также наблюдаются обусловленные дефектами EL2 и атомами меди полосы люминесценции с hm 0.7 и 1.30 эВ соответственно) показан на рис. 2.

Их подробный анализ, в частности индуцированное Cu гашение обусловленной дефектами EL2 люминесценции, детально проведен в [5].

4. Изменение интенсивности собственной люминесценции после диффузии меди в кристаллы ПИН GaAs (эксперимент) На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости интенсивностей собственной люминесценции от уровня возбуждения в исходных кристаллах ПИН GaAs и полученных после диффузии в них меди. Как видно, введение меди приводит при любых уровнях возбуждения к поРис. 2. Типичный вид спектров фотолюминесценции исходных вышению интенсивности собственной люминесценции, кристаллов ПИН GaAs (1) и полученных после диффузии в них т. е. I2 > I1 при любых L. Из анализа приведенных меди (2) при 300 K и L = 3 1022 кв/см2 с.

Атомы меди в кристаллы ПИН GaAs вводились путем диффузии при 750C, 4.5 ч (их концентрация NCu 1 1017 см-3). Вследствие пассивации дефектов EL2 атомами меди в легированных медью кристаллах концентрация дефектов EL2 была значительно ниже концентрации атомов углерода (NEL2 < 1.5 1015 см-3 = NC/2) [5]. Поэтому проводимость диффузионно легированных медью кристаллов определялась термической ионизацией атомов углерода и меди была достаточно велика ( = 0.8-0.24 Ом см при T = 77-300 K) и носила дырочный характер (концентрация равновесных дырок в них p0 3 1015-8 1016 см-3 при T = 77-300 K). Детально свойства кристаллов, полученных после введения меди в ПИН GaAs, описаны в [5].

Исследовалась при 300 K и различных уровнях возбуждения собственная люминесценция исходных и легированных медью кристаллов арсенида галлия. Люминесценция возбуждалась сильно поглощаемым излучеРис. 3. Зависимости интенсивностей собственной люминеснием HeЦNe-лазера (энергия квантов h = 1.96 эВ, ценции в исходных кристаллах ПИН GaAs I1 (1) и полученных коэффициент поглощения k = 4 104 см-1, интенсив- после диффузии в них меди I2 (2) от интенсивности возбужденость возбуждения L = 1018-1022 кв/см2 с) и руби- ния L при 300 K.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Анализ изменений интенсивности собственной люминесценции, происходящих после диффузии... эксперименатльных зависимостей (см. соотношения (5) Analysis of changes in the intensity of an и (6), а также рис. 1, c) следует, что между рекомбиintrinsic luminescence after copper национными параметрами исходных кристаллов ПИН diffusion into semi-insulating undoped GaAs и полученных после диффузии в них атомов gallium arsenide crystals меди реализуется соотношение n2p2/ld2 > n1p1/ld1.

F.M. Vorobkalo, K.D. Glinchuk, A.V. Prokhorovich Указанное соотношение действительно выполняется в наших экспериментах (это имеет место за счет индуциInstitute of Semiconductor Physics, рованного Cu увеличения величины p при неизменных National Academy of Sciences of Ukraine, величинах n и ld, ибо, как показывают прямые измере252028 Kiev, the Ukraine ния при 300 K рекомбинационных параметров исходных и легированных медью кристаллов, в них (в частности,

Abstract

An analysis is made of the efect of copper diffusion into при L = 3 1022 кв/см2 с) n1 n2 10-10 с, semi-insulating undoped GaAs crystals on the intensity of intrinsic p1 1.6 10-10 с, p2 5 10-10 с и ld1 ld2 10-4 см luminescence. It is shown that the copper diifusion into semi(о методике измерений n, p и ld см. [7]).insulating undoped GaAs crystals can lead both to an increase and a decrease in the intrinsic luminescence intensity. Obtained are analytical expressions relating the value and sign of the effect 5. Заключение observed to recombination parameters of the crystals and the intensity of the luminescense excitation.

Наблюдаемое после введения меди в полуизолируюE-mail:>

Величина и знак эффекта удовлетворительно описываются теоретическими соотношениями, учитывающими зависимость интенсивности излучательной рекомбинации свободных электронов и дырок от скорости их генерации L и их времен жизни n, p.

Список литературы [1] C.E. Third, F. Weinberg, L. Young, M. Thewalt. Appl. Phys.

Lett., 58, 714 (1991).

[2] U. Jahn, H. Menniger. Phys. St. Sol. A, 128, 145 (1991).

[3] К.Д. Глинчук, В.И. Гурошев, А.В. Прохорович. Оптоэлектрон. и полупроводн. техн., 24, 66 (1992).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам