ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ ДЛИННОПЕРИОДИЧЕСКИХ СВЕРХСТРУКТУР В СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННОМ GaAs

Н.А. Семиколенова, Н.А. Давлеткильдеев, В.А. Богданова, В.И. Дубовик

Омский государственный университет, кафедра физики твердого тела
644077, Омск, пр. Мира, 55-A

Институт сенсорной микроэлектроники СО РАН, лаборатория ФПС
644077, Омск, пр. Мира, 55-A

Получена 4 февраля 1997 г.

An investigation has been made of band gap photoluminescence(PL) single crystals at the various doping levels. The shape of the edge PL band and the dependence of its energy at the maximum on the free carrier concentration n0 were in accordance with a theory when см-3. In the nerrow range см-3 at 77K it has been found additional more long-wavelengh peak with (Egопт is optic band gap of bulk GaAs). It is assumed that this PL peak is conditioned by a change of electron energy spectrum,related with impurity ordering.

1. В результате предыдущих исследований [1-3] накоплены экспериментальные данные, косвенно указывающие на то, что в монокристаллах А³В⁵ (выращенных по методу Чохральского) при некоторых критических концентрациях доноров происходят качественные изменения параметров полупроводника, связанные с примесным упорядочением. Происходит фазовый переход типа "беспорядок - порядок" и формируется некая примесная крупномасштабная регулярная сверхструктура. Это подтверждается прямыми электроннографическими исследованиями монокристаллов GaAs:Te с концентрацией свободных носителей заряда (критические концентрации) [4]. При изучении фотолюминесценции данных образцов было обнаружено существенное возрастание интенсивности собственного излучения (I_кр) при критических концентрациях [5]. Возрастание (I_кр) связывается с возрастанием безызлучательного времени жизни неосновных носителей заряда . Предполагается, что возрастание безызлучательного времени жизни при критических концентрациях свободных носителей заряда n₀ обусловлено примесным упорядочением.

Данная работа посвящена дальнейшему изучению примесной сверхструктуры в GaAs:Te методом фотолюминесценции (ФЛ), представляющим собой тонкий экспериментальный метод исследования конкретных особенностей энергетического спектра. Цель работы - исследование особенностей спектральной зависимости интенсивности фотолюминесценции краевой полосы при критических концентрациях свободных носителей заряда.

Рис. 1 Спектры ФЛ монокристаллов GaAs:Te при 100 К,

 

Рис. 2 Спектры краевой ФЛ монокристаллов GaAs:Te при 100 К. Пунктирные кривые - зависимости типа

 

Рис. 3 Зависимость энергии спектрального максимума краевой ФЛ от концентрации свободных носителей заряда монокристаллов GaAs:Te ( - наши данные, сплошные кривые - [7])

Анализ формы спектра краевой ФЛ для образцов с см^-3 показал, что в исследуемой области температур ( 77 300 К) спектры хорошо аппроксимируются, по крайней мере в области максимума, гауссовой кривой. Низкотемпературные спектры краевой ФЛ для см^-3 нельзя удовлетворительно аппроксимировать одной гауссовой кривой. На рис.3 максимума, гауссовой кривой. На рис.2 представлены выделенные спектры собственного излучения для двух образцов с критическими концентрациями при T = 100 K. При 300 K спектры этих двух образцов имеют гауссову форму в области максимума.

3. Результаты анализа формы спектра краевой ФЛ исследуемых образцов с см^-3 согласуются с теорией люминесценции прямозонных полупроводников [7].

На основании спектральной зависимости в области максимума, а также зависимостей энергии спектрального максимума от концентрации свободных носителей заряда и температуры , зависимости полуширины от n₀ сделаны следующие выводы. В исследуемых образцах GaAs:Te при см^-3 (докритических), во-первых, краевое излучение определяется ВТ-переходами в исследуемой области температур ( 77 300 К) (т.е. рекомбинацией свободных электронов с дырками, локализованными на глубоких уровнях "хвоста" плотности состояний валентной зоны). Во-вторых, степень легирования такова, что излучение обусловлено рекомбинацией свободных электронов с дырками, локализованными на уровнях "гауссова хвоста". На рис.3 показана зависимость спектрального максимума от концентрации свободных носителей заряда для исследуемых образцов при K и K. На этом же рисунке приведены кривые, суммирующие эмпирические литературные данные о зависимости при 77 и K для ВТ - канала [7].

В образцах с см^-3 при низких температурах спектральная зависимость значительно отличается от гауссовой в районе максимума. На рис.2 стрелками показано предположительное спектральное положение максимума полосы ФЛ, обусловленное ВТ-каналом. Несимметричность краевой полосы обусловлена, по-видимому, наличием дополнительного длинноволнового максимума. На рис.2 показан также пример разделения спектра на две полосы гауссовского вида (полосы D и E), выполненный с использованием универсального графического пакета прикладных программ MICROCAL ORIGIN V.3.5. То, что эта дополнительная полоса не обнаруживается при высоких температурах , не позволяет связать полосы D и E с переходами ВТ- и ВВ-типа, соответственно, поскольку ВВ-переходы, обусловленные рекомбинацией свободных носителей заряда, наблюдаются при достаточно высоких температурах (, - величина среднеквадратичной флуктуации примесного потенциала).

Предположим, что значение уменьшается в результате коррелированного распределения примесных ионов при критических концентрациях n₀. Это согласуется с фактом увеличения I_кр в исследуемых образцах при n₀^кр при условии, что доминирующим безызлучательным каналом рекомбинации является Оже-рекомбинация [8]. Но только уменьшение величины не может объяснить появление второго пика. Если полоса D с (оптическая ширина запрещенной зоны) обусловлена переходами "межзонного" типа, то эти переходы могут происходить лишь за счет диагональных переходов, связанных с туннелированием носителей. Такие переходы происходят в сильно компенсированных СЛП (ТТ - канал) [8], а также в искусственных легированных сверхрешетках ( - структуры). При определенных условиях в искусственных легированных сверхрешетках (СР) наблюдаются в спектре краевой ФЛ два максимума: первый обусловлен термически активируемой вертикальной рекомбинацией через неизменную запрещенную зону, второй - туннелированием через непрямую в реальном пространстве запрещенную зону. Для второго максимума характерна перестраиваемость от интенсивности возбуждения ФЛ. Но это справедливо для СР с периодом . В короткопериодичных СР с наблюдается интенсивная, стабильная краевая полоса с объемного материала. Изучаемая примесная сверхструктура имеет период (или периоды) порядка . Необходимо изучить влияние интенсивности возбуждения ФЛ на спектр краевой ФЛ при критических концентрациях для того, чтобы получить дополнительную информацию о природе полос краевой ФЛ в исследуемых образцах GaAs:Te при примесном упорядочении.

Таким образом, проведено исследование краевой ФЛ в монокристаллах GaAs:Te при различных уровнях легирования. Анализ формы краевой полосы ФЛ и положение ее спектрального максимума в зависимости от концентрации свободных носителей заряда n₀ показал хорошее качественное согласие данных с теорией ФЛ прямозонных полупроводников при см^-3. При критических концентрациях см^-3 в спектрах обнаружена дополнительная полоса с энергией максимума меньшей, чем оптическая ширина запрещенной зоны объемного арсенида галлия. Предполагается, что эта полоса обусловлена изменением электронного зонного спектра, связанным с примесным упорядочением.

Литература