Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 11 Стимулирование люминесценции варизонных полупроводников AlxGa1-xAs й К. Пожела, Р.-А. Бендорюс, Ю. Пожела, А. Шиленас Институт физики полупроводников, 2600 Вильнюс, Литва (Получена 17 мая 2000 г. Принята к печати 17 мая 2000 г.) Исследована стимуляция фотолюминесценции в варизонном полупроводнике AlxGa1-xAs. Показано, что стимуляция внешней подсветкой позволяет повысить внутренний квантовый выход люминесценции и задать направление стимулированному потоку излучения. Предложен метод определения внутреннего квантового выхода спонтанной люминесценции.

1. Введение пар рекомбинирует излучательно:

1 Детекторы ионизирующих радиаций со световым от =, (1) кликом на основе варизонных AlxGa1-xAs-структур обла- 1 + r/nr дают многими преимуществами в сравнении с кремнигде r и nr Ч времена жизни электронно-дырочных пар евыми и GaAs-детекторами с токовым откликом [1,2].

при излучательной и безызлучательной рекомбинации AlxGa1-xAs-структуры со световым откликом позволяют соответственно. В легированных кристаллах AlxGa1-xAs преобразовать картину ионизирующей радиации в свевеличина безызлучательного времени жизни весьма матовое изображение с большим пространственным разрела: nr 10-9 с. Для повышения квантового выхошением деталей картины, без необходимости создавать да варизонный полупроводник AlxGa1-xAs легируетматрицу точечных детекторов со сложной системой ся акцепторной примесью Zn+, что позволяет увелипередачи и считывания зарядовой информации, как это чить скорость излучательной рекомбинации до уровня имеет место в случае использования детекторов с токобезызлучательной. Таким путем удается повысить до вым откликом [3]. Детектор со световым откликом не 60-80%. Дальнейшего уменьшения r и тем самым требует источника питания. В отличие от используемого повышения внутреннего квантового выхода детектора при создании детекторов с токовым откликом высоко можно достичь путем стимулирования излучательной омного материала (GaAs, Si, Ge) с очень высокими рекомбинации внешним источником света.

требованиями к чистоте и бездефектности, основу деСтимулирование излучательной рекомбинации также текторов со световым откликом составляет низкоомный позволяет решать проблему вывода излучения из крилегированный AlxGa1-xAs.

сталла наружу. Из-за высокого коэффициента преломлеОднако эффективность сбора информации о колиния AlxGa1-xAs угол полного внутреннего отражения честве генерированных внешней радиацией в объеме света от границы GaAs/воздух составляет лишь 16.

детектора электронно-дырочных пар в детекторах с оптиВ результате лишь очень небольшая доля генерируемых ческим откликом оказывается ниже, чем в детекторах в кристалле фотонов выходит наружу ( 2-3%).

с токовым откликом. В последних, благодаря большому Однако коэффициент выхода можно многократно посовершенству и чистоте материала детектора, обеспечивысить, если собрать фотоны, генерируемые в кристалле, вается высокое время жизни неравновесных электроннов телесный угол 16 и тем самым избежать полного внудырочных пар. Это позволяет при приложении достаточтреннего отражения фотонов от поверхности кристалла.

но большого напряжения к детектору (обычно несколько Этого можно достичь путем стимулирования излучательсот вольт) с малыми потерями (почти стопроцентно) ной рекомбинации перпендикулярным к поверхности собрать все заряды, генерируемые внешней радиацией раздела внешним пучком света. Можно показать, что в объеме детектора.

при стимулировании рекомбинационного излучения стиВ детекторах со световым откликом сбор информации мулированный фотон обладает той же частотой, фазой, о генерируемых в объеме электронно-дырочных парах поляризацией и направлением распространения, что и осуществляется оптическим путем: фотоны, излучаемые стимулирующий фотон [4]. Параллельный пучок светопри рекомбинации электронно-дырочных пар в объеме вых лучей с углом расхождения меньше 16 будет стикристалла, выходят через широкозонную поверхность варизонного полупроводника. Эффективность оптиче- мулировать излучательную рекомбинацию в этот угол, ского отклика (люминесценции кристалла) определя- что обеспечит высокий выход излучения из кристалла.

ется главным образом двумя параметрами: внутрен- В настоящей статье рассматриваются возможности ним квантовым выходом и эффективностью вывода повышения внутреннего и внешнего квантового выхода светового излучения из кристалла. Величина вну- фотолюминесценции AlxGa1-xAs-структуры путем ститреннего квантового выхода определяется тем, какая мулирования излучательной рекомбинации дополнительдоля генерированных в объеме электронно-дырочных ным внешним источником света.

Стимулирование люминесценции варизонных полупроводников AlxGa1-xAs 2. Стимулирование излучения интенсивности излучения может быть значительно увеличена путем стимулирования скорости рекомбинации Рассмотрим на основе простой двухуровневой модели электронно-дырочных пар.

излучение из полупроводниковой пластины толщиною Определим интенсивность люминесценции пластины L при возбуждении в ней каким-либо ионизирующим полупроводника толщиною L при генерации ионизируисточником в единице объема N2 электронно-дырочных ющим излучением в единице ее объема N2 электроннопар. Положим энергию между двумя уровнями и соотдырочных пар.

ветственно энергию излучаемых фотонов 21 близкой к Бегущий поток числа фотонов N21 с энергией ширине запрещенной зоны в GaAs, 1.5 эВ, и в тепловом через единичную поверхность в 1 с в направлении z, равновесии будем полагать концентрацию электронов на перпендикулярном к поверхности полупроводниковой верхнем втором уровне n20 равной нулю, а на нижнем Ч пластины, равен равной n10.

c В стационарном случае скорость генерируемых иони- J21 = N21 21. (8) nr зирующим излучением электронно-дырочных пар равна скорости их рекомбинации, Изменение плотности потока фотонов на интервале dz вследствие поглощения и стимулирования излучения dN2 1 = N2 + + B(N2 - N1)I21, (2) равно dt nr r gen dJ21 = kJ21dz, (9) где nr и r Ч времена релаксации безызлучательной и где коэффициент стимулирования и поглощения излучеизлучательной спонтанной рекомбинации соответственния nr но, I21 Ч излучение с энергией фотона 21 и B Ч k = B(N2 - N1). (10) c коэффициент Эйнштейна, определяющий скорость стиОтметим, что N1 = n10 - N2. Отрицательная часть коэфмулированной рекомбинации, фициента k соответствует поглощению излучения Ч c nr B =. (3) ka = - Bn10, (11) nr 821r c Здесь c/nr Ч скорость света в среде с коэффициентом а положительная часть преломления nr.

nr ki = B(2N2)(12) Время релаксации для стимулированной рекомбинаc ции равно отражает как эффект стимулирования излучения, так и i-1 = BI21. (4) эффект уменьшения поглощения стимулирующего изВ случае GaAs 21 4 1014 с-1, nr = 3.54 и лучения при генерации N2 электронно-дырочных пар.

Br 0.54 см3/с. Полагая скорость генерации ионизируИнтенсивность ФпервичногоФ излучения, подходящего к ющим излучением равной BN1I1, где I1 Чинтенсивность поверхности пластины L от плоскости с координатой z1, ионизирующего излучения, получим, согласно (2)Ц(4), равна для числа частиц на втором уровне при наличии стимуj(z1)ek(L-z1)dz1. (13) i лирования N2 и в его отсутствие N2 равенство Полный поток фотонов на поверхности L пластины равен Iсумме потоков от всех плоскостей z1 в пластине:

i N2 N2 1 +. (5) IL Стимулирующее излучение не изменяет числа электронIL = j(z1)dz1. (14) но-дырочных пар, если его интенсивность много меньше интенсивности ионизирующего излучения.

Полагая, для простоты, генерацию электронно-дырочных При I1 I21 отношение амплитуды стимулированi i пар N2 однородной по толщине пластины, получим для ного излучения Im N2i/i к амплитуде спонтанного sp интенсивности спонтанной люминесценции пластины Im N2/r равно i ekL - Im ir sp IL = jspo, (15) =, (6) sp k Im i где где N2 c jspo = 21. (16) i = (7) r nr 1 + i/nr При стимулировании внешним излучением j021, падаюопределяет долю электронно-дырочных пар, участвующим на кристалл в плоскости z = 0, поток в плоскости щих в излучательной рекомбинации при наличии стиz1 равен мулирования, а Ч в его отсутствие (см. уравнеi ние (1)). Соотношение (6) показывает, что амплитуда j(z1) = jspo + j021ek z1 (17) Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1344 К. Пожела, Р.-А. Бендорюс, Ю. Пожела, А. Шиленас и соответственно интенсивность стимулированной люминесценции пластины i spi i IL = IL + j021Lek L. (18) spi Здесь индексы i при IL и ki соответствуют изменению i N2 на N2 (см. уравнение (5)) при стимулировании люминесценции.

Как видим, стимулированная люминесценция состоит spi из двух составляющих: спонтанной люминесценции IL i с изменившейся концентрацией N2 N2 и модулированного поглощения стимулирующего излучения.

Отметим, что спонтанная люминесценция является Рис. 1. Схема эксперимента. Фотолюминесценция, возбужденизотропной и излучает в телесный угол 4. Лишь малая ная промодулированным лучем лазера L (волнистая стрелка), доля излучения, попадающая в телесный угол синхронно детектируется детектором Ч спектрометром D.

Немодулированная подсветка белым светом от источника S (прямая стрелка) стимулирует излучательные переходы в ва() =4 sin2 1 + cos2, sin =, (19) 2 2 nr ризонной AlxGa1-xAs-пластине. Трапецией на пластине обозначено изменение ширины запрещенной зоны: короткая вершина где Ч угол полного внутреннего отражения, выходит соответствует узкозонной, а широкое основание Ч широкозониз кристалла.

ной стороне варизонного кристалла.

Стимулирующее излучение является направленным и способствует тому, что стимулированное излучение выводится из кристалла, будучи направленным в телесный Благодаря варизонной структуре кристалла стимулируюугол (). Если стимулирующее излучение направлено щее излучение, не поглощаясь, проходило к узкозонной в область углов вне (), то оно вместе со стимулирообласти, где из белого спектра излучения автоматически ванной им эмиссией вообще не выйдет из кристалла.

выбирались энергии фотонов, соответствующие излучательным переходам неравновесных электронов. Таким 3. Экспериментальное определение образом стимулировались излучательные переходы.

возможностей стимулирования Вследствие малости толщины области взаимодействия излучения с генерированными носителями, L 1мкм, люминесценции в кристаллах можно положить kL < 1, где k = B(2 - 1)nr/c.

AlxGa1-xAs Волнистой линией отмечены переменные составляющие коэффициента поглощения. Тогда, согласно (15) Поскольку стимулированное излучение из кристалла и (18), промодулированные переменные составляющие выходит на фоне стимулирующего излучения, для экспелюминесценции, детектируемые синхронным детекториментального их разделения использовано синхронное ром, равны детектирование. На рис. 1 показана принципиальная Isp jspoL (20) схема эксперимента. В качестве источника генерации электронно-дырочных пар использован аргоновый лазер для спонтанного излучения и ( = 488 нм), излучение которого модулировалось прерывателем, задающим частоту синхронизации детектиро- i Ii j021e-kaLkL2 + jspoL (21) вания сигнала люминесценции ( 130 Гц). Для определения спектра интенсивности люминесценции использодля стимулированной части излучения.

вался монохроматор МДР-12-ЛОМО и фотоумножитель Благодаря большой величине коэффициента поглощеФЭУ-157, чувствительный в инфракрасной области люния ka (см. уравнение (11)) первый член в правой части минесценции из GaAs.

уравнения (21) может оказаться малым в сравнении со Таким образом, измерялась промодулированная совторым членом. Тогда ставляющая люминесценции, исключающая постоянную составляющую стимулирующего излучения.

Ii i. (22) На рис. 1 показана схема, когда носители генерироIsp вались лазерным лучем в слое толщиной 1мкм с узкозонной стороны кристалла и с этой же стороны Из-за уменьшения ширины запрещенной зоны к поверхнаблюдалась люминесценция. С помощью лампы накали- ности варизонного кристалла поглощение стимулируювания со стабилизированным питанием создавалось сти- щего излучения в области малых толщин L в красной мулирующее излучение с непрерывным спектром в ин- области спектра уменьшается. При уменьшении kaL возтервале 600-900 нм, которое направлялось перпендику- растает вклад первого члена в правой части уравнения лярно к поверхности широкозонной стороны кристалла. (21) в интенсивность стимулированного излучения. Это Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Стимулирование люминесценции варизонных полупроводников AlxGa1-xAs лированной люминесценции наблюдались значительные флуктуации интенсивности излучения, возрастающие с увеличением интенсивности подсветки. Эти флуктуации мы связывает с флуктуациями интенсивности стимулирующего сигнала. Они накладывали ограничение на величину интенсивности стимулирующей подсветки, используемой в эксперименте.

Интенсивность стимулированной люминесценции зависит от направления стимулирующей подсветки. Стимулирующее излучение, заполняющее внешний телесный угол d, после преломления на поверхности пластины полупроводника с высоким nr попадает в узкий телесный угол внутри полупроводника Рис. 2. Спектры интенсивностей спонтанной (Isp) и стимулиd d() =. (23) рованной (Ii) люминесценции AlxGa1-xAs-пластины и их отноnr шение (Ii/Isp) при конфигурации эксперимента, показанной на рис. 1. Кривая Ib показывает фоновое излучение при отсутствии Таким образом, стимулирующее излучение в полувозбуждения электронно-дырочных пар лазером.

проводнике всегда оказывается внутри телесного угла, соответствующего углу полного внутреннего отражения, что обеспечивает ему выход из кристалла. Чтобы обеспечить выход стимулированного излучения в телесный приводит к соответствующему росту отношения интенугол ddet, соответствующий угловой апертуре детектосивностей стимулированного излучения к спонтанному.

ра люминесценции, падающее на пластину стимулируюНа рис. 2 приведены экспериментальные результаты щее излучение должно быть сконцентрировано, согласно измерения спектров промодулированных составляющих (23), в таком же внешнем телесном угле d=ddet.

спонтанной и стимулированной эмиссии для одного из На рис. 3 представлены зависимости спектров фотообразцов AlxGa1-xAs с переменным составом по толлюминесценции варизонного кристалла от направления щине от x = 0 до x = 0.3. Толщина образца была параллельного пучка стимулирующего света. Угловая d = 50 мкм. Результаты, полученные на этом образце, апертура объектива детектора люминесценции была мебыли типичными для целой серии образцов AlxGa1-xAs нее 30. Из рис. 3 видно, что при угле падения с различными градиентами состава по толщине и уровнями легирования. Образцы легировались акцептором Zn+ на поверхность кристалла < 30 в детектируемом выходном сигнале наблюдается ярко выраженная комдо уровней NZn > 1017 см-3. В нелегированных образцах люминесценция не наблюдалась.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам