Длительная кинетика люминесценции зона-примесь в GaAs и твёрдых растворах на его основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

на правах рукописи

Николаевом) Андрей Евгеньевич

ДЛИТЕЛЬНАЯ КИНЕТИКА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ЗОНА-ПРИМЕСЬ В ваАБ И ТВЁРДЫХ РАСТВОРАХ НА ЕГО ОСНОВЕ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание уч8ной степени кандидата физико-математических наук

Г

Новосибирск, 2006

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Гилинский Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Кибис Олег Васильевич

доктор физико-математических наук Сидоров Валерий Георгиевич

Ведущая организация:

Томский государственный университет

Защита состоится 2 мая 2006 года в 15 часов на заседании диссертационного Совета К 003.037.01 при Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск-90, пр. Лаврентьева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН.

Автореферат разослан 24 марта 2006 г.

Г

Учёный секретарь Диссертационного Совета кандидат физ.-мат. наук, доцент

С. И. Чикичев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучению механизмов и кинетики рекомбинации неравновесных носителей заряда в арсениде галлия - материале, важном как в прикладном, так и в фундаментальном отношениях - было посвящено большое количество работ. Результаты многочисленных исследований в этой области, накопленные к концу 80-х годов прошлого столетия, давали основания полагать, что основные процессы, приводящие к восстановлению равновесия в системе носителей заряда ОэАб после выключения межзонного возбуждения, являются хорошо изученными.

Недавно, однако, было показано, что имеющиеся сведения о механизмах, контролирующих кинетику рекомбинации свободных носителей заряда в данном прямозонном материале, не полны. Так, основываясь на существовавших моделях, можно было бы ожидать, что в чистом (содержащем только остаточные примеси с концентрацией ~1014 см'3) или слаболегированном ваЛв кинетика переходов с участием свободных электронов и дырок описывается экспоненциальными зависимостями. Характерные времена при этом должны составлять единицы наносекунд для процессов образования и излучательной рекомбинации экситонов [1,2] и лежать в микросекундном диапазоне для переходов зона-примесь [1,3,4]. Однако недавно было обнаружено, что, в противоположность ожиданиям, затухание нестационарной фотолюминесценции (ФЛ) зона проводимости-акцептор в этом материале при гелиевых температурах происходит по необычно длительному закону, близкому к степенному, и наблюдается в течение нескольких миллисекунд после выключения возбуждения [5]. Длительная кинетика ФЛ зона-акцептор наблюдалась в эпитакси-альных слоях ОаАэ п- и /»-типов проводимости при концентрации мелких примесей до -5-1015 см"3. Исследование температурной зависимости эффекта показало, что длительное затухание ФЛ исчезает при повышении температуры образца до 25-30 К. Обнаруженное явление, таким образом, противоречит традиционным представлениям о доминирующих механизмах рекомбинации неравновесных носителей заряда в прямозонных полупроводниках типа ОаАя при низких температурах и требует пересмогра механизмов, контролирующих кинетику рекомбинации через уровни мелких примесей.

В работе [5] была предложена модель механизма рекомбинации, объясняющая наблюдаемое в ОаАв длительное затухание ФЛ зона-акцептор влиянием многократных захвата и эмиссии неравновесных электронов мелкими ловушками - процессов, не рассматривавшихся ранее в данном материале. Основываясь на температурной зависимости эффекта, было высказано предположение, что в роли ловушек выступают остаточные мелкие доноры. В пользу такого предположения свидетельствуют результаты численного моделирования кинетики примесной ФЛ йаАБ с учетом многократных захвата и эмиссии электронов мелкими ловушками с глубиной

залегания в несколько миллиэлектронвольт, которые дают для переходов зона-акцептор степенной закон затухания, близкий к наблюдаемому в эксперименте.

Однако экспериментальные данные, явным образом подтверждающие участие мелких доноров в качестве ловушек для электронов при рекомбинации неравновесных носителей заряда в ОаАз, отсутствовали, что не позволяло исключить возможность доминирования иных механизмов - например, связанных с пространственным разделением неравновесных носителей заряда встроенными электрическими полями. В качестве ловушек, захватывающих неравновесные носители заряда и определяющих кинетику ФЛ зона-акцептор, могут также выступать иные точечные дефекты. Также отсутствовали данные по кинетике примесной низкотемпературной ФЛ прямозонных материалов, имеющих близкие к ОаАз параметры мелких примесей, но при этом отличающийся спектр точечных дефектов.

Целью диссертаииоиной работы являлось исследование механизмов, определяющих кинетику излучательной рекомбинации свободных электронов в чистом ОаАв и прямозонных твёрдых растворах при низких температурах. Для достижения поставленной цели при выполнении работы ставились следующие задачи:

1. Исследовать кинетику примесной ФЛ прямозонных твёрдых растворов ГпхОа,.хА5 и А1хОа1_хАз различных составов.

2. Для экспериментальной проверки предложенной модели механизма рекомбинации исследовать кинетику ФЛ ОаАя при приложении ионизирующего ловушки электрического поля.

3. Для выяснения роли мелких доноров в возникновении длительного затухания ФЛ зона-акцептор изучить кинетику ФЛ ОаАэ и твёрдых растворов при селективном возбуждении доноров.

4. Для решения задач пп.2 и 3 реализовать экспериментальные методики регистрации кинетики ФЛ при приложении к исследуемому образцу электрического поля и при селективном возбуждениии электронных переходов в мелких донорах излучением субмиллиметрового лазера в магнитном поле.

Положения, выносимые на защиту:

1. В прямозонных твёрдых растворах 1пОаАз и АЮаАэ при низких температурах наблюдается длительная кинетика нестационарной фотолюминесценции зона-акцептор.

2. Приложение электрического поля после возбуждающего фотолюминесценцию лазерного импульса приводит в СаАя к значительному повышению интенсивности переходов зона-акцептор при малом уменьшении интенсивности люминесценции донор-акцептор и отсутствии возгорания экситонных переходов. Описанное пове-

4

дение краевой фотолюминесценции соответствует модели механизма рекомбинации, учитывающей влияние захвата-неравновесных электронов мелкими ловушками.

3. Селективное возбуждение переходов 1за—2р+1 в мелких донорах в магнитном поле вызывает резонансный отклик в кинетике акцепторной фотолюминесценции (ЗаАв и твёрдых растворов ТпОаАэ и АЮаАв. При приближении магнитного поля к резонансному значению в кривых затухания ФЛ зона-акцептор наблюдается увеличение интенсивности на начальном этапе релаксации и ускорение затухания при больших задержках. Наблюдение магнитного резонанса и характер изменений кинетики люминесценции при резонансном возбуждении мелких доноров показывают, что ловушками, ответственными за возникновение эффекта длительного затухания фотолюминесценции зона-акцептор в ОаАэ и твёрдых растворах, являются мелкие доноры.

4. Приложение электрического поля или селективное фотовозбуждение мелких доноров обеспечивают улучшение разрешения и регистрирующей способности люминесцентной методики контроля примесного состава ОрАб и близких соединений.

Новизна полученных результатов. Все основные результаты и выводы работы получены впервые. Длительное затухание ФЛ зона-акцептор, наблюдаемое при низких температурах в СаАэ, было обнаружено в слоях твёрдых растворов 1п<ЗаАБ и АЮаАэ. При этом в спектрах ФЛ АЮаАэ впервые для данного материала наблюдались раздельные линии переходов зона-акцептор и донор-акцептор. Впервые проведено исследование кинетики краевой ФЛ ваАв при приложении импульсов электрического поля и исследование кинетики примесной ФЛ ОаАв и твёрдых растворов ГпОэАб и АЮэАб при селективном фотовозбуждении мелких доноров излучением субмиллиметрового лазера в магнитном поле. Полученные результаты обеспечили экспериментальное подтверждение модели механизма рекомбинации, объясняющей длительное затухание ФЛ зона-акцептор в йаАя и прямозонных твёрдых растворах влиянием многократных захвата и эмиссии неравновесных электронов мелкими донорами.

Практическая важность результатов работы состоит в усовершенствовании методики контроля состава мелких акцепторов в ваАя и близких соединениях, которая основана на регистрации эволюции спектра нестационарной ФЛ и может применяться для исследования материала с уровнем легирования Л^, И0 < 101й см"3, полученного в широком диапазоне условий выращивания. Показано, что приложение электрического поля облегчает идентификацию мелких акцепторов в тех случаях, когда линии зона-акцептор наблюдаются в задержанных спектрах ФЛ только в виде

слабого плеча на фоне значительно более интенсивных линий донор-акцептор, а использование селективного фотовозбуждения мелких доноров излучением субмиллиметрового лазера в магнитном поле позволяет идентифицировать остаточные акцепторы, присутствующие в образце в малых концентрациях по сравнению с доминирующими, даже в том случае, когда линии зона-акцептор и донор-акцептор, относящиеся к акцепторам различной природы, перекрываются.

Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе, докладывались на 5-й, 6-й и 7-й Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2001, Санкт-Петербург, 2003, Москва, 2005), 26-й и 27-й Международных конференциях по физике полупроводников (Эдинбург, Шотландия, 2002, 1 Флагстафф, США, 2004), 10-й Международной конференции по центрам с мелкими уровнями в полупроводниках (Варшава, Польша, 2002), 20-й Общей конференции отделения твердого тела Европейского физического общества (Прага, Чехия, 2004), 22-й Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Орхус, Дания, 2003), 8-й Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2002), докладывались и обсуждались на конкурсе научных работ Института физики полупроводников СО РАН и на семинаре Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 128 страниц, включая 31 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 112 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, изложены положения, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность, дана краткая аннотация полученных результатов.

Первая глава является обзорной. В ней рассматриваются литературные данные о механизмах рекомбинации в ОаАэ. В первом параграфе главы изложена картина релаксации возбуждения, построенная на основе традиционных представлений ' о рекомбинации неравновесных носителей заряда в этом прямозонном материале. Во втором параграфе приведено описание обнаруженного недавно эффекта длительного затухания ФЛ зона-акцептор в чистом ваАэ при низких температурах, противоречащего существовавшим моделям [5]. Описана методика спектроскопии мелких акцепторов в ОаАв и близких соединениях, предложенная на основе этого явления и основанная на регистрации эволюции спектра нестационарной ФЛ иссле-

дуемых образцов в микросекундном диапазоне времён задержек. В третьем параграфе рассмотрена предложенная в работе [5] модель механизма рекомбинации, которая объясняет наблюдаемое в ваАя при низких температурах длительное затухания ФЛ зона-акцептор влиянием многократных захвата и эмиссии неравновесных электронов мелкими ловушками, в качестве которых выступают мелкие доноры.

Во второй главе описываются исследовавшиеся образцы и методика эксперимента. Слои нелегированных и слаболегированных ваАя и твёрдых растворов 1пОаАя и АЮаАв выращивались на подложках полуизолирующего ОаАэ ориентации (100) методами молекулярно-лучевой (МЛЭ), жидкофазной (ЖФЭ) и газофазной (ГФЭ) эпитаксии. Методом МЛЭ также была выращена двойная гетерострукту-ра, в которой исследуемый слой ваАв был заключен между двумя широкозонными обкладками А1Аз. Толщины эпитаксиальных слоёв лежали в пределах от 2 мкм (образцы, выращенные методом МЛЭ) до 30 мкм (образцы, выращенные ЖФЭ и ГФЭ). Концентрация свободных носителей заряда в слоях не превышала 3-1014 см"3. Слои АЮаАя имели рекордную для данного материала степень чистоты [б].

Приложение электрического поля к исследуемым образцам осуществлялось по бесконтактной методике, основанной на использовании поверхностных акустических волн (ПАВ). Возбуждение ПАВ производилось в кристалле ниобата лития, для чего на его поверхность методом фотолитографии был нанесен встречно-штыревой преобразователь. Исследуемый образец располагался вблизи поверхности возбуждающего кристалла и находился, таким образом, под действием переменного электрического поля, создаваемого ПАВ. Данный метод выгодно отличается от традиционного конгактного способа приложения постоянного электрического поля тем, что позволяет варьировать величину поля в широких пределах без разогрева носителей заряда и создания макроскопических токов в исследуемом слое.

Измерение спектров стационарной и нестационарной ФЛ и кинетики ФЛ производилось на автоматизированном спектрометре на основе двойного дифракционного монохроматора СДЛ-1, оснащенном охлаждаемым фотоэлектронным умножителем ФЭУ-79. Возбуждение нестационарной ФЛ осуществлялось импульсным лазером на ШгУАО с преобразованием частоты излучения (длина волны 532 нм, длительность импульса 120 нсек) либо полупроводниковым лазером (длина волны 660 нм) с регулируемой длительностью импульса. Регистрация кинетики ФЛ осуществлялась методом счета фотонов с временным разрешением, позволяющим регистрировать кривые затухания в наибольшем динамическом диапазоне. Для проведения измерений при низких температурах использовалась криостатная система УТРЕКС, которая позволяла регулировать температуру образца в пределах от 4,2 до 300 К.

Для исследования кинетики ФЛ при селективном фотовозбужденни мелких доноров была построена экспериментальная установка, содержавшая систему возбуждения и регистрации нестационарной ФЛ, гелиевый криостат 8ресйтяпа§ БМ4

фирмы «Oxford Instruments» со сверхпроводящим магнитом, обеспечивающим магнитное поле до 6 Тл, и источник монохроматического субмиллиметрового излучения — непрерывный молекулярный лазер на парах метанола с оптической накачкой излучением СОг лазера.

В первом параграфе третьей главы проводится анализ механизмов рекомбинации, которые могут обуславливать длительное затухание ФЛ зона-акцептор в GaAs при гелиевых температурах. Наблюдение длительного затухания ФЛ зона-акцептор в образцах, в которых эпитаксиальный слой GaAs входит в состав двойной гетероструктуры с широкозонными барьерами из AlAs, препятствующими диффузии носителей, позволило исключить механизм, связанный с пространственной диффузией электронов на большие расстояния и их захватом дефектами на границе эпитаксиальный слой-подложка с последующим медленным высвобождением. Среди других возможных причин медленного снижения концентрации свободных носителей заряда следует выделить механизмы, связанные с пространственным разделением неравновесных носителей заряда встроенными электрическими полями, источниками которых являются область пространственного заряда (OII3) вблизи поверхности либо флуктуации концентраций заряженных примесей в объеме слоя. Показано, что поля в приповерхностной ОПЗ не могут оказывать влияния на кинетику ФЛ. Выполнена оценка амплитуды модуляции зон, вызванной флуктуациями концентраций заряженных примесей, и приведен ряд аргументов в пользу предположения о том, что встроенные электрические поля экранируются свободными носителями заряда, рождёнными межзонным фотовозбуждением, и не оказывают влияния на кинетику ФЛ.

Во втором параграфе главы представлены результаты исследования кинетики низкотемпературной примесной ФЛ прямозонных твёрдых растворов InxGai.xAs и AlxGa!_xAs. Параметры мелких примесей в данных материалах, такие, как энергии ионизации, сечения захвата и вероятности излучательных переходов, при малых х близки к соответствующим параметрам в GaAs. В то же время твёрдые растворы отличаются от GaAs спектром и концентрацией точечных дефектов кристаллической решетки, которые также могут выступать в качестве ловушек либо центров рекомбинации и оказывать влияние на кинетику излучательных переходов с участием свободных носителей заряда. Нами было обнаружено, что длительное затухание ФЛ зона-акцептор наблюдается в твёрдых растворах InxGai.xAs во всем исследованном диапазоне составов х до 0,3% и AlxGa^As с составами х до 3%. Эффект также был обнаружен в не исследовавшихся ранее образцах GaAs, выращенных методом ГФЭ. Композиционное уширение и перекрытие примесных линий в спектрах ФЛ не позволило провести исследование кинетики ФЛ зона-акцептор в твёрдых растворах AlxGa|.xAs с составами, превышающими 3%. Обнаружено, что отличия в составе точечных дефектов GaAs и твёрдых растворов отражаются в различном влиянии на

S

кинетику ФЛ параллельных каналов рекомбинации через глубокие центры. В частности, в АЦва^Аз длительное затухание ФЛ наблюдается только в слоях высокой степени чистоты.

В третьем параграфе главы представлены результаты исследования кинетики ФЛ ОаАэ при приложении электрического поля. На рис.1 показаны кривые затухания ФЛ зона-акцептор {с, А) и донор-акцептор (£>, А) образца р-ОаАз при приложении импульсов ПАВ длительностью

10 мксек, задержанных на 33 мксек относительно возбуждающего лазерного импульса. Напряженность электрического поля ПАВ для кривых затухания переходов зона-акцептор составляла 0, 10, 20, 30 и 100 В/см (снизу вверх). Как видно из рисунка, приложение импульсов электрического поля ПАВ с напряженностью более 10 В/см приводит к возрастанию интенсивности переходов зона-акцептор. При повышении напряженности поля возрастание интенсивности ФЛ ускоряется. После выключения ПАВ происходит медлен-

40 60 Время, мксек

Рис.1.

ное (на масштабе десятков микросекунд) затухание ФЛ зона-акцептор. Кинетика затухания переходов донор-акцептор существенно не изменяется при напряженности поля до 50 В/см и постепенно снижается в «хвостах» кривых затухания после импульса ПАВ при дальнейшем увеличении напряженности поля. При напряженности поля вплоть до максимальной использованной в 400 В/см возгорания экситонной ФЛ (обозначена Хна рис. 1) под действием ПАВ не наблюдается.

Возрастание интенсивности ФЛ зона-акцептор при приложении электрического поля свидетельствует об увеличении концентрации электронов в зоне проводимости за счет частичной ионизации ловушек, захватывающих электроны. К ионизации ловушек приводит повышение вероятности эмиссии электронов в зону проводимости под действием электрического поля ПАВ. После выключения ПАВ вероятность эмиссии принимает прежнее значение, что снова приводит к установлению режима длительного затухания. Слабое уменьшение интенсивности переходов донор-акцептор при приложении электрического поля свидетельствует об ионизации малой части мелких доноров. Отсутствие возгорания экситонной ФЛ под действием ПАВ указывает на то, что ионизации мелких акцепторов, глубина залегания которых в ваАз составляет 26-40 мэВ, не происходит. Это означает, что глубина залегания ловушек, обуславливающих длительное затухание ФЛ зона-акцептор, значи-

тельно меньше глубины залегания мелких акцепторов (в исследованном образце доминирующим акцептором является углерод, который имеет глубину залегания 26 мэВ). Описанное поведение кинетики краевой ФЛ, таким образом, свидетельствует об ионизации мелких доноров под действием электрического поля ПАВ и находится в соответствии с предложенной моделью механизма рекомбинации.

Нами было показано, что использование электрического поля ПАВ также позволяет расширить возможности методики контроля примесного состава ваАв, основанной на регистрации эволюции спектра нестационарной ФЛ. Значительное повышение интенсивности переходов зона-акцептор в задержанных спектрах ФЛ ОаАз, вызванное приложением импульсов ПАВ, при практически неизменной интенсивности переходов донор-акцептор облегчает идентификацию мелких акцепторов в тех случаях, когда линии зона-акцептор наблюдаются только в виде слабого плеча на фоне более интенсивных линий донор-акцептор (к примеру, в образцах «-типа проводимости).

Данные, полученные при исследовании кинетики ФЛ ваАв при приложении электрического поля, не предоставляют возможности определения точного значения энергии ионизации ловушек и их идентификации. Для экспериментальной проверки предположения о том, что в качестве ловушек выступают мелкие доноры, необходимо проведение исследования кинетики примесной ФЛ материалов, демонстрирующих длительное затухание ФЛ зона-акцептор, при селективном возбуждении доноров. Результаты такого исследования, изложенные в четвёртой главе, обеспечили экспериментальное подтверждение модели механизма рекомбинации, объясняющей наблюдаемое в данных материалах при низких температурах длительное затухание ФЛ зона-акцептор влиянием многократных захвата и эмиссии неравновесных электронов мелкими донорами. '

В первом параграфе главы описана идея эксперимента. Селективное возбуждение мелких доноров осуществлялось излучением субмиллиметрового лазера. Положение уровней энергии доноров подстраивалось в резонанс с энергией фотона субмиллиметрового излучения путем приложения магнитного поля. Для использованной линии лазера 118,8мкм (энергия фотона 10,4 мэВ) резонансное значение магнитного поля при возбуждении перехода 1зо~2р+, составило =3,7 Тл. В поле такой величины уровень 2р+) оказывается выше нулевого уровня Ландау, и конечным ! результатом поглощения кванта возбуждающего излучения является эмиссия электрона с основного состояния мелкого донора в зону проводимости. Изменяя величину магнитного поля вблизи резонансного значения, можно управлять темпом эмиссии электронов с доноров. При этом в случае наблюдения изменений кинетики ФЛ они могут быть связаны с селективным возбуждением мелких доноров. Для определения точного положения и формы резонансного контура измерялись спектры субмиллиметровой фотопроводимости, получаемые разверткой магнитного поля.

10

Во втором параграфе обсуждаются результаты, полученные на образцах ОаАэ. Исследование кинетики ФЛ при селективном возбуждении доноров проводилось на трёх образцах: р-(3аАэ, и-ПаАв и и-ваАз с высоким уровнем компенсации, выращенных методами МЛЭ, ЖФЭ и ГФЭ, соответственно. На всех образцах были получены аналогичные результаты. Было обнаружено, что при приближении к резонансу наблюдается значительная модификация кинетики примесной ФЛ. На рис.2

показаны спектр субмиллиметровой фотопроводимости вблизи перехода 1за-2р-ц в мелких донорах (верхняя кривая) и зависимости интегральной интенсивности ФЛ зона-акцептор образца выращенного методом ЖФЭ, от величины магнитного поля при различных задержках после окончания импульса межзонного возбуждения. Видно, что по мере приближения величины магнитного поля к резонансному значению, когда вероятность эмиссии электронов с доноров принимает максимальное значение, наблюдается повышение интенсивности ФЛ зона-акцептор на начальном участке затухания (при временах задержки до «1 мсек) и ускорение затухания ФЛ при бблыпих временах. Переходы донор-акцептор (не показаны) демонстрируют незначительное снижение интенсивности ФЛ вблизи резонанса. Изменения кинетики ФЛ зона-акцептор и донор-акцептор максимальны при том же значении магнитного поля, при котором достигает максимума сигнал фотопроводимости. Таким образом, можно заключить, что магнитный резонанс мелких доноров на переходе 1во—2р+] наблюдается в кинетике примесной люминесценции ОаАв. Наблюдение магнитного резонанса мелких доноров в кинетике ФЛ позволяет заключить, что изменения в затухании примесной ФЛ в резонансе обусловлены селективным возбуждением мелких доноров.

На рис.3 изменения кинетики ФЛ, вызванные селективным возбуждением мелких доноров, показаны на примере 1фивых затухания ФЛ зона-акцептор (с, А) и донор-акцептор (Д А), измеренных на образце сильнокомпенсированного п-СаАв. Кривая 1 измерена при фотовозбуждении мелких доноров в резонансе, кривая 2 -при фотовозбуждении вне резонанса, кривая 3 - при отсутствии фотовозбуждения. Значения магнитного поля, при которых измерены кривые 1 и 2, отмечены стрелками на спектре фотопроводимости, показанном на вставке.

п-баМ 4,2 К

(с, А)

3,5 4,0

Магнитное поле, Тл

Рис.2.

Повышение интенсивности переходов зона-акцептор при задержках до 0,3-1 мсек, иллюстрируемое на рис.2 и рис.3 (кривые 1, 2), свидетельствует о повышении концентрации свободных электронов, вызванном фотоионизацией мелких доноров. Возрастание темпа эмиссии электронов с доноров приводит к более быстрому их опустошению и вызывает ускорение затухания ФЛ зона-акцептор при больших временах задержки. Малое снижение интенсивности переходов донор-акцептор в резонансе свидетельствует о том, что лишь малая часть нейтральных доноров ионизуется субмиллиметровым излучением в течение времени затухания ФЛ. Таким образом, наблюдаемые изменения кинетики акцепторной ФЛ, вызванные селективным фотовозбуждением доноров, подтверждают предложенную модель механизма рекомбинации неравновесных носителей заряда и свидетельствует о том, что в роли ловушек, ответственных за захват свободных электронов и возникновение длительного затухания ФЛ зона проводимости-акцептор в ОаАв, выступают мелкие доноры.

Результаты исследования кинетики ФЛ твёрдых растворов 1пОаАз и АЮаАв при селективном возбуждении мелких доноров приводятся в третьем параграфе. Было показано, что магнитный резонанс мелких доноров на переходе 18о—2р+1 наблюдается в кинетике примесной ФЛ образцов Гп^ошСао^Аз и А^озСао^Аз. Селективное фотовозбуждение мелких доноров в твёрдых растворах, так же, как и в ОаАя, приводит к повышению интенсивности и к ускорению затухания ФЛ зона-акцептор. Переходы донор-акцептор в обоих материалах демонстрируют в резонансе незначительное уменьшение интенсивности при больших задержках. Полученные результаты, таким образом, аналогичны результатам исследования кинетики ФЛ ОаАв при селективном фотовозбуждении мелких доноров и подтверждают предложенную модель механизма рекомбинации также для твёрдых растворов.

На примере твёрдых растворов ГпОаАБ и АЮаАэ было показано, что использование резонансного фотовозбуждения мелких доноров позволяет добиться повышения разрешающей способности методики фотолюминесцентной спектроскопии мелких акцепторов в ОаАя и близких соединениях, основанной на регистрации эволюции спектра нестационарной ФЛ. Перекрытие линий зона-акцептор и донор-акцептор, относящихся к примесям различной природы, приводит к тому, что в спектрах как стационарной, так и нестационарной ФЛ образца 1п0,оозОао,997Аз на-

10"' 10° 101 102 103 104 Время, мкеек

Рис.3.

Энергия фотона, эВ 1,495 1,490 1,485 1,480

блюдаются только линии, связанные с доминирующим акцептором - углеродом. Резонансное фотовозбуждение мелких доноров позволило обнаружить и идентифицировать остаточные акцепторы, присутствующие в образце в малых концентрациях по сравнению с доминирующими. На рис.4 показаны спектры нестационарной ФЛ

образца IПо,003030,997As, измеренные в диапазоне задержек 0-80 мксек после импульса межзонного возбуждения в условиях непрерывного фотовозбуждения мелких доноров излучением субмиллиметрового лазера в резонансном магнитном поле. Видно, что при больших задержках в спектрах ФЛ вместе с линиями зона-акцептор углерод (с, Ас) и донор-акцептор углерод (Д Ас) наблюдается еще одна слабая линия, обозначенная (с, Aza). Энергетическое расстояние между данной линией и линией зона-акцептор углерод свидетельствует о том, что слабая линия связана с переходами зона-акцептор цинк. На наличие в исследуемом образце второго акцептора также указывает вторая линия донор-акцептор (Д А7л), которая наблюдается в спектрах ФЛ в виде слабого плеча. Наблюдение более слабой линии зона-акцептор цинк при резонансном фотовозбуждении мелких доноров стало возможным благодаря следующим факторам: а) повышению интенсивности переходов зона-акцептор, которое приводит к увеличению соотношения интенсивностей линий зона-акцептор и донор-акцептор в задержанных спектрах ФЛ; б) различию сдвигов

линий зона-акцептор и донор-акцептор в магнитном поле, уменьшающему степень их перекрытия; в) изменению плотности состояний в зоне проводимости в магнитном поле, которое приводит к сужению линий зона-акцептор.

Резонансное фотовозбуждение мелких доноров также позволило впервые пронаблюдать раздельные линии зона-акцептор и донор-акцептор в спектрах ФЛ твердых растворов AlGaAs. Спектры нестационарной ФЛ образца высокочистого Alo,o3Gao,97As, измеренные в диапазоне задержек 0-80 мксек при фотовозбуждении мелких доноров в резонансе, показаны на рис.5. Символами (с, А) и (Д А) обозначены линии зона-акцептор и донор акцептор, соответственно.

8300 8325 8350 8375 Длина волны, А

Рис.4.

Энергия фотона, эВ 1,540 1,530

8050 8075 8100 8125 Длина волны, А

Рис.5.

В заключении диссертации подведены итоги диссертационной работы и указан вклад автора. В работе было проведено исследование механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда в чистых ОаАв и прямозонных твёрдых растворах 1пСаАз и АЮаАэ при низких температурах. Изучена кинетика низкотемпературной примесной ФЛ слоев Гп^Са^Аз и А1хОа1_хАз различных составов. Исследованы кинетика ФЛ ваАя при приложении электрического поля, сгенерированного ' ПАВ, и кинетика ФЛ ОаАэ и твердых растворов ГпОаАя и АЮаАя при селективном фотовозбуждении мелких доноров излучением субмиллиметрового лазера в условиях магнитного резонанса. Основные результаты и выводы работы состоят в следующем:

1. Обнаружено, что длительное неэкспоненциальное затухание нестационарной ФЛ зона-акцептор наблюдается при низких температурах в слоях твёрдых растворов А^Са^Ав с составами х до 3% и 1пхОа]_хАз во всём исследованном диапазоне составов х до 0,3%.

2. Показано, что поведение кинетики краевой ФЛ ваАз при приложении электрического поля находится в соответствии с моделью механизма рекомбинации, учитывающей влияние многократных захвата и эмиссии неравновесных электронов мелкими ловушками. Показано, что энергия ионизации этих ловушек не превышает 26 мэВ.

3. На основании результатов исследования кинетики ФЛ ваАв и твёрдых растворов ГпОаАз и АЮаАэ при селективном возбуждении мелких доноров субмиллиметровым излучением в магнитном поле сделан вывод о том, что ловушками, обуславливающими эффект длительного затухания ФЛ зона-акцептор в этих материалах при низких температурах, являются остаточные мелкие доноры.

4. Показано, что детектирующая способность методики люминесцентной спектроскопии мелких акцепторов в СгяАб и твердых растворах может быть улучшена при приложении к исследуемому образцу электрического поля или при использовании резонансного фотовозбуждения мелких доноров. Применение фотовозбуждения доноров позволило впервые наблюдать раздельно линии зона-акцептор и донор-акцептор в спектрах ФЛ А^Оа^Ая малых составов (х = 3%), а также наблюдать в спектрах ФЛ МЗаАя переходы с участием акцепторов, присутствующих в следо- : вых количествах на фоне доминирующих.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях.

А1. Журавлёв К.С., Гилинский A.M., Царёв А.В., Николаенко А.Е. Кинетика фотолюминесценции GaAs под действием поверхностной акустической волны. -ФТП, 2001, т.35, № 8, с.932-936.

А2. Nickolaenko А.Е., Gilinsky А.М., Shegai О.А., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S. Optically detected magnetic resonance of shallow donors in GaAs observed in photoluminescence kinetics. - Phys. Stat. Solidi (c), 2003, v.0, № 2, p.669-672.

A3. Nickolaenko A.E., Gilinsky A.M., TsarevA.V., Zhuravlev K.S. Photoluminescence characterization of shallow acceptors in и-GaAs using a surface acoustic wave technique. - Physica B, 2003, v.340-342, p.333-336.

A4. Nickolaenko A.E., Gilinsky A.M., Zhuravlev K.S., Shegai O.A., Shamirzaev T.S., Bakarov A.K., Zhilyaev Yu.V., Fedorov L.M. Prolonged decay of free-to-bound photoluminescence in direct band gap InGaAs and AlGaAs alloys: magnetic resonance studies. - Semicond. Sci. Technol., 2006, v.21, № 2, p.105-111.

A5. Gilinsky A.M., Zhuravlev K.S., Nickolaenko A.E., Tsarev A.V., Holland M. Kinetics of free carrier recombination in GaAs and AlGaAs/GaAs quantum wells under the influence of surface acoustic waves. - Physics of Semiconductors 2002. Proceedings of the 26th International Conference on the Physics of Semiconductors, Edinburgh, 29 July - 2 August 2002. Institute of Physics Conference Series Number 171 (Eds. Long A.R., Davies J.H.), Institute of Physics Publishing, Bristol (UK) and Philadelphia (USA), 2003, P95 (8 pages).

A6. Nickolaenko A.E., Gilinsky A.M., Shegai O.A., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S. Acceptor photoluminescence kinetics of GaAs under resonant photoexcitation of shallow donors. - Physics of Semiconductors. Proceedings of the 27th International Conference on the Physics of Semiconductors ICPS-27, Flagstaff, Arizona, 29-30 July 2004. AIP Conference Proceedings, volume 772, part A (Eds: J. Menendez, Chris G. Van de Walle), Melville, New York, 2005, p.141-142.

A7. Zhuravlev K.S., Gilinsky A.M., Tsarev A.V., Nickolaenko A.E. Experimental verification of the mechanism of the prolonged decay of free-to-bound photoluminescence in pure gallium arsenide by a surface acoustic wave technique. - In Book of abstracts of the 9th International Conference on Shallow-level Centers in Semiconductors, SLCS-9, Awaji Island, Hyogo, Japan, 2000, p.63.

A8. Николаенко A.E., Журавлёв K.C., Гилинский A.M., Царёв A.B. Кинетика фотолюминесценции GaAs и квантовых ям AlGaAs/GaAs под действием поверхностной акустической волны. - В сборнике тезисов докладов V Российской конфе-

ренции по физике полупроводников, РКФП-5, Нижний Новгород, 2001, т.1, с. 143.

А9. Nickolaenko А.Е., Gilinsky A.M., Shegai O.A., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S. Optically detected magnetic resonance of shallow donors in GaAs observed in photoluminescence kinetics. - In Book of abstracts of the 10th International Conference on Shallow-level Centers in Semiconductors, SLCS-10, Warsaw, Poland, 2002, p.99.

A10. Николаенко A.E., Гилинский A.M., ШегайО.А., Шамирзаев T.C., Журавлёв K.C. Оптически детектируемый магнитный резонанс мелких доноров в GaAs в кинетике краевой фотолюминесценции. - Люминесценция и лазерная физика. Труды VIII Международной школы-семинара, Иркутск, 2003, с. 164168.

А11. Nickolaenko А.Е., Gilinsky A.M., Tsarev A.V., Zhuravlev K.S. Photoluminescence characterization of shallow acceptors in w-GaAs using a surface acoustic wave technique. - In Book of abstracts of the 22nd International Conference on Defects in Semiconductors, ICDS-22, Aarhus, Denmark, 2003, part И, PA59.

A12. Гилинский A.M., Николаенко A.E., ШегайО.А., Шамирзаев T.C., Журавлёв K.C. Магнитный резонанс мелких доноров в кинетике краевой фотолюминесценции GaAs. - В сборнике тезисов докладов VI Российской конференции по физике полупроводников, РКФП-6, Санкт-Петербург, 2003, с.422.

А13. Николаенко А.Е., Гилинский A.M., Царёв А.В., Журавлёв К.С., ЖиляевКХВ., Ботнарюк В.М., Федоров Л.М. Характеризация мелких акцепторов в и-GaAs методом нестационарной фотолюминесценции с использованием поверхностных акустических волн. — В сборнике тезисов докладов VI Российской конференции по физике полупроводников, РКФП-6, Санкт-Петербург, 2003, с.516.

А14. Николаенко А.Е. Оптически детектируемый магнитный резонанс мелких доноров в кинетике краевой фотолюминесценции GaAs. - В сборнике тезисов докладов V всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2003, с.З.

А15. Nickolaenko А.Е., Gilinsky A.M., Zhuravlev K.S., Shegai О.A., Shamirzaev T.S.,

Bakarov A.K., Zhilyaev Yu.V., Botnaryk V.M. Millisecond decay of free electron ' photoluminescence in direct-gap III-V semiconductor compounds: magnetic resonance studies. - In Book of abstracts of the 20th General Conference Condensed Matter Division EPS, CMD-20, Prague, Czech Republic, 2004, p.l 10.

A16. Nickolaenko A'.E., Gilinsky A.M., Zhuravlev K.S., Shegai O.A., Shamirzaev T.S., Bakarov A.K., Zhilyaev Yu.V., Fedorov L.M. Prolonged decay of the free-to-bound photoluminescence in direct-band-gap InGaAs and AlGaAs semiconductor com-

pounds: magnetic resonance studies. - In Book of abstracts of the 23rd International Conference on Defects in Semiconductors, ICDS-23, Awaji Island, Hyogo, Japan, 2005, p.220.

A17. Николаенко A.E., Гилинский A.M., Журавлёв K.C., Шамирзаев T.C., Ше-гай О.А., Бакаров. А.К., Жиляев Ю.В., Федоров Л.М. Длительная кинетика фотолюминесценции прямозонных InGaAs и AlGaAs: исследование методом магнитного резонанса. - В сборнике тезисов докладов VII Российской конференции по физике полупроводников, РКФП-7, Москва, 2005, с. 134.

[1] Bimberg D., Munzel Н., Steckenborn A., Christen J. Kinetics of relaxation and recombination of nonequilibrium charge carriers in GaAs: carrier capture by impurities. -Phys. Rev. B, 1985, v.31, № 12, p.7788-7799.

[2] Аавиксоо Я.Ю., Рейманд И.Я., России B.B., Травников В.В. Кинетика образования и энергетической релаксации экситонов в GaAs. - Письма в ЖЭТФ, 1991, т.53, № 7, с.377-381.

[3] Williams E.W., Bebb H.Barry. Photoluminescence II: Gallium arsenide. - В кн.: Semiconductors and semimetals, v.8, p.321-392. Academic Press, New York, 1972.

[4] Гарбузов Д.З., Халфин В.Б., Трукан M.K., Агафонов В.Г., Абдулаев А. Температурная зависимость эффективности и времён жизни излучательных переходов в прямозонном полупроводнике типа GaAs. - ФТП, 1978, т.12, № 7, с.1368-1379.

[5] Gilinsky A.M., Zhuravlev K.S. Millisecond phosphorescence of free electrons in pure GaAs. - Appl. Phys. Lett., 2001, v.79, № 21 p.3455-3457.

[6] Zhuravlev K.S., Toropov A.I., Shamirzaev T.S., Bakarov A.K. Photoluminescence of high-quality AlGaAs layers grown by molecular-beam epitaxy. - Appl. Phys. Lett., 2000, v.76, № 9, p.l 131-1133.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

г

Подписано в печать 15.032006 формат60x841/16 Печл.1

Заказ >641 Бумага офсетная, вОгр/м1 Тирах 100

Отпечатано на полиграфическом участке издательского отдела Института катализа ни. Г.К. Борескова СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3

\

>

i" б б 8 t

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в прямозонных полупроводниках типа GaAs.

§ 1.1. Основные процессы, контролирующие релаксацию возбуждения в GaAs.

§ 1.2. Эффект длительного затухания ФЛ зонаакцептор в GaAs при низких температурах

§ 1.3. Модель механизма рекомбинации, предложенная для объяснения длительного затухания ФЛ зона-акцептор в GaAs.

ГЛАВА 2. Методические вопросы исследования.

§ 2.1. Методики получения исследуемых образцов

§ 2.2. Методики регистрации стационарной и нестационарной фотолюминесценции.

§ 2.3. Методика приложения электрического поля

§ 2.4. Экспериментальная установка для исследования кинетики ФЛ при селективном фотовозбуждении мелких доноров

ГЛАВА 3. Механизмы рекомбинации, обуславливающие длительную кинетику ФЛ в GaAs. Исследование кинетики ФЛ твердых растворов InGaAs и AlGaAs. Исследование кинетики ФЛ GaAs при приложении электрического поля.

§ 3.1. Анализ механизмов рекомбинации, обуславливающих длительную кинетику ФЛ в GaAs при низких температурах.

§ 3.2. Исследование кинетики ФЛ твердых растворов InGaAs и AlGaAs.

§ 3.2.1. Кинетика ФЛ твердых растворов InxGaixAs

§ 3.2.2. Кинетика ФЛ прямозонных твердых растворов AlxGaixAs.

§ 3.3. Кинетика ФЛ GaAs под действием электрического поля.

ГЛАВА 4. Исследование кинетики ФЛ GaAs и твердых растворов InGaAs и AlGaAs при селективном фотовозбуждении мелких доноров.

§ 4.1. Метод селективного фотовозбуждения мелких доноров.

§ 4.2. Исследование кинетики ФЛ GaAs при селективном фотовозбуждении мелких доноров

§ 4.3. Исследование кинетики ФЛ твердых раство-■ ров InGaAs и AlGaAs при селективном фотовозбуждении мелких доноров

Изучению механизмов и кинетики рекомбинации неравновесных носителей заряда в арсениде галлия - материале, важном как в прикладном, так и в фундаментальном отношениях - было посвящено большое количество работ. Результаты многочисленных исследований в этой области, накопленные к концу 80-х годов прошлого столетия, давали основания полагать, что основные процессы, приводящие к восстановлению равновесия в системе носителей заряда GaAs после выключения межзонного возбуждения, являются хорошо изученными.

Недавно, однако, было показано, что имеющиеся сведения о механизмах, контролирующих кинетику рекомбинации свободных носителей заряда в данном прямозонном материале, не полны. Так, основываясь на существовавших моделях, можно было бы ожидать, что в чистом (содержащем только остаточные примеси или слаболегированном) GaAs кинетика переходов с участием свободных электронов и дырок описывается экспоненциальными зависимостями. Характерные времена при этом должны составлять единицы наносекунд для процессов образования и излучательной рекомбинации эксито-нов [ 1, 2 ], и лежать в микросекундном диапазоне для переходов зона-примесь [1, 3, 4] . Однако недавно было обнаружено, что, в противоположность ожиданиям, затухание нестационарной фотолюминесценции (ФЛ) зона проводимости-акцептор в этом материале при гелиевых температурах происходит по необычно длительному закону, близкому к степенному, и наблюдается в течение нескольких миллисекунд после выключения возбуждения [5] . Длительная кинетика ФЛ зона-акцептор наблюдалась в эпитаксиальных слоях GaAs п- и р-типов проводимости при концентрации мелких примесей до «Б'Ю15 см-3. Исследование температурной зависимости эффекта показало, что длительное затухание ФЛ исчезает при повышении температуры образца до 25-30 К. Обнаруженное явление, таким образом, противоречит традиционным представлениям о доминирующих механизмах рекомбинации неравновесных носителей заряда в прямо-зонных полупроводниках типа GaAs при низких температурах и требует пересмотра некоторых из них.

В работе [5] была предложена модель механизма рекомбинации, объясняющая наблюдаемое в GaAs длительное затухание ФЛ зона-акцептор влиянием многократных захвата и эмиссии неравновесных электронов мелкими ловушками - процессов, не рассматривавшихся ранее в данном материале. Основываясь на температурной зависимости эффекта, было высказано предположение, что в роли ловушек выступают остаточные мелкие доноры. В пользу такого предположения свидетельствуют результаты численного моделирования кинетики примесной ФЛ GaAs с учетом многократных захвата и эмиссии электронов мелкими ловушками с глубиной залегания в несколько миллиэлектронвольт, которые дают для переходов зона-акцептор степенной закон затухания, близкий к наблюдаемому в эксперименте.

Однако экспериментальные данные, явным образом подтверждающие участие мелких доноров в качестве ловушек для электронов при рекомбинации неравновесных носителей заряда в GaAs, отсутствовали, что не позволяло исключить возможность доминирования иных механизмов - например, связанных с пространственным разделением неравновесных носителей заряда встроенными электрическими полями. В качестве ловушек, захватывающих неравновесные носители заряда и определяющих кинетику ФЛ зона-акцептор, могут также выступать иные точечные дефекты. Также отсутствовали данные по кинетике примесной низкотемпературной ФЛ прямозонных материалов, имеющих близкие к GaAs параметры мелких примесей, но при этом отличающийся спектр точечных дефектов.

Целью диссертационной работы являлось исследование механизмов, определяющих кинетику излучательной рекомбинации свободных электронов в чистом GaAs и прямозонных твёрдых растворах при низких температурах. Для достижения поставленной цели при выполнении работы ставились следующие задачи:

1. Исследовать кинетику примесной ФЛ прямозонных твердых растворов InxGai-xAs и AlxGaixAs различных составов.

2. Для экспериментальной проверки предложенной модели механизма рекомбинации исследовать кинетику ФЛ GaAs при приложении ионизирующего ловушки электрического поля.

3. Для выяснения роли мелких доноров в возникновении длительного затухания ФЛ зона-акцептор изучить кинетику ФЛ GaAs и твердых растворов при селективном возбуждении доноров.

4. Для решения задач пп.2 и 3 реализовать экспериментальные методики регистрации кинетики ФЛ при приложении к исследуемому образцу электрического поля и при селективном возбуждениии электронных переходов в мелких донорах излучением субмиллиметрового лазера в магнитном поле.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Обнаружено, что длительное неэкспоненциальное затухание нестационарной ФЛ зона-акцептор наблюдается при низких температурах в слоях твёрдых растворов AlxGa;ixAs с составами к до 3% и InxGaixAs во всём исследованном диапазоне составов х до 0,3%.

2. Показано, что поведение кинетики краевой ФЛ GaAs при приложении электрического поля находится в соответствии с моделью механизма рекомбинации, учитывающей влияние многократных захвата и эмиссии неравновесных электронов мелкими ловушками. Показано, что энергия ионизации этих ловушек не превышает 26 мэВ.

3. На основании результатов исследования кинетики ФЛ GaAs и твёрдых растворов InGaAs и AlGaAs при селективном возбуждении мелких доноров субмиллиметровым излучением в магнитном поле сделан вывод о том, что ловушками, обуславливающими эффект длительного затухания ФЛ зона-акцептор в этих материалах при низких температурах, являются остаточные мелкие доноры.

4. Показано, что детектирующая способность методики люминесцентной спектроскопии мелких акцепторов в GaAs и твердых растворах может быть улучшена при приложении к исследуемому образцу электрического поля или при использовании резонансного фотовозбуждения мелких доноров. Применение фотовозбуждения доноров позволило впервые наблюдать раздельно линии зона-акцептор и донор-акцептор в спектрах ФЛ AlxGaixAs малых составов (х=3%), а также наблюдать в спектрах ФЛ InGaAs переходы с участием акцепторов, присутствующих в следовых количествах на фоне доминирующих.

Диссертационная работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского Отделения РАН. Личный вклад автора состоит в построении установки для исследования кинетики ФЛ при селективном фотовозбуждении мелких доноров, подготовке и проведении экспериментов, анализе полученных данных и подготовке публикаций.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю за постоянное руководство и помощь при выполнении работы, Н.Т.Мошегову, А.И.Торопову и А.К.Бакарову за возможность исследования структур GaAs и AlGaAs, выращенных ими методом МЛЭ, Н.С.Рудой, Н.А.Якушевой и Ю.Б.Болховитянову за предоставление образца GaAs, выращенного методом ЖФЭ, Ю.В.Жиляеву, Л.М.Федорову и В.М.Ботнарюку за предоставление образцов GaAs и InGaAs, выращенных методом ГФЭ, А.В.Цареву за изготовление пластин ниобата лития и подготовку экспериментов с ПАВ, О.А.Шегаю за помощь в проведении экспериментов с использованием субмиллиметрового лазера, В.Я.Принцу за ценные замечания по диссертационной работе и коллегам по Сектору люминесцентных методов контроля параметров полупроводниковых структур ИФП СО РАН -К.С.Журавлеву и Т.С.Шамирзаеву - за повседневную помощь и поддержку .

- из

- Ill -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе было проведено исследование механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда в чистых GaAs и прямозонных твёрдых растворах InGaAs и AlGaAs при низких температурах. Изучена кинетика низкотемпературной примесной ФЛ слоев InxGaixAs и AlxGaixAs различных составов. Исследованы кинетика ФЛ GaAs при приложении электрического поля, сгенерированного ПАВ, и кинетика ФЛ GaAs и твердых растворов InGaAs и AlGaAs при селективном фотовозбуждении мелких доноров излучением субмиллиметрового лазера в условиях магнитного резонанса.

1. Bimberg D., Munzel H., Steckenborn A., Christen J. Kinetics i > of relaxation and recombination of nonequilibrium chargecarriers in GaAs: carrier capture by impurities. Phys. Rev. B, 1985, v.31, № 12, p.7788-7799.

2. Гарбузов Д.З., Халфин В.В., Трукан М.К., Агафонов В.Г., Аб-дулаев А. Температурная зависимость эффективности и времен жизни излучательных переходов в прямозонном полупроводникетипа GaAs. ФТП, 1978, т.12, № 7, с.1368-1379.

3. Gilinsky A.M., Zhuravlev K.S. Millisecond phosphorescence of free electrons in pure GaAs. Appl. Phys. Lett., 2001, v.79, № 21 p.3455-3457.

4. Nickolaenko A.E., Gilinsky A.M., Zhuravlev K.S., ^ Shegai O.A., Shamirzaev T.S., Bakarov A.K., Zhilyaev Yu.V.,

5. Журавлев К.С., Гилинский A.M., Царёв А.В., Николаенко А.Е. Кинетика фотолюминесценции GaAs под действием поверхностной акустической волны. ФТП, 2001, т.35, № 8, с.932-936.

6. Nickolaenko A.E., Gilinsky A.M., TsarevA.V., Zhurav-lev K.S. Photoluminescence characterization of shallow acceptors in л-GaAs using a surface acoustic wave technique. Physica B, 2003, v.340-342, p.333-336.

7. Nickolaenko А.Е., Gilinsky A.M., Shegai О.А., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S. Optically detected magnetic resonance of shallow donors in GaAs observed in photoluminescence kinetics. Phys. Stat. Solidi (c), 2003, v.0, № 2, p.669-672.

8. Rappel W.J., Feiner L.F., Schuurmans M.F.H. Exciton-polariton picture of the free-exciton lifetime in GaAs. -Phys. Rev. B, 1988, v.38, № 11, p.7874-7876.

9. Lax M. Giant traps. J. Phys. Chem. Solids, 1959, v.8, № 1, p.66-73.

10. Lax M. Cascade capture of electrons in solids. Phys. Rev., 1960, v. 119, № 5, p.1502-1523.

11. Nelson R.J., Sobers R.G. Minority-carrier lifetime and internal quantum efficiency of surface-free GaAs. J. Appl. Phys., 1978, v.49, № 12, p.6103-6108.

12. Casey H.C., Stern F. Concentration-dependent absorption and spontaneous emission of heavily doped GaAs. J. Appl. Phys., 1976, v.47, № 2, p.631-643.

13. Chaudhuri S. Optical-transition cross sections involving impurities in semiconductors. Phys. Rev. B, 1982, v.26, № 12, p.6593-6602.

14. Williams F.E. Theory of the energy levels of donor-acceptor pairs. J. Phys. Chem. Solids, I960, v.12, p.265-275.

15. Thomas D.G., Hopfield J.J., Augustyniak W.M. Kinetics of radiative recombination at randomly distributed donors and acceptors. Phys. Rev., 1966, v.140, № 1A, p.A202-A220.

16. Dean P.J. Interimpurity recombination in semiconductors. -В кн.: Progress in Solid State Chemistry, v.8, p.1-126. Pergamon Press, New York, 1973.

17. Harris T.D., Trautman J.K., Colonell J.I. Dynamics of selectively excited donor acceptor pairs in GaAs. Mater. Sci. Forum, 1990, v.65-66, p.21-28.

18. Bludau W., Wagner E. Carrier lifetime controlled by capture into deep and shallow centers in GaAs. Appl. Phys. Lett., 1976, v.29, № 3, p.204-206.

19. Ulbrich R. Capture of hot electrons by ionized donors in GaAs. Phys. Rev. Lett., 1971, v.27, № 22, p.1512-1514.

20. Dingle R. Radiative lifetimes of donor-acceptor pairs in p-type gallium arsenide. Phys. Rev., 1969, v. 184, № 3, p.788-796.

21. Гилинский A.M. Излучательная рекомбинация дырок на уровнях размерного квантования в дельта-р-легированном арсениде галлия. Диссертация на соискание степени кандидата физ. -мат. наук. Новосибирск, 1991, 178 с.

22. Акимов А.В., Каплянский А.А., Криволапчук В.В., Москаленко Е.С. Проявление метастабильных локализованных состояний дырок в медленной кинетике краевой люминесценции л-GaAs. -Письма в ЖЭТФ, 1987, т.46, №1, стр.35-39.

23. Акимов А.В., Жиляев Ю.В., Криволапчук В.В., Полетаев Н.К., Шофман• В. Г. Экспериментальное наблюдение дырок в л-GaAs, высвободившихся в результате Оже-распада локализованных состояний. ФТП, 1991, т.25, № 4, стр.713-717.

24. Gilinsky A.M., Zhuravlev К.S. Characterization of shallow acceptors in GaAs by microsecond-scale time-resolved pho-toluminescence. Appl. Phys. Lett., 1996, v.68, № 3, p.373-375.

25. Ashen D.J., Dean P.A., Hurle D.T.J., Mullin J.В., White A.M., Green P.D. The incorporation and characterization of acceptors in epitaxial GaAs. J. Phys. Chem. Solids, 1975, v.36, N 10, p.1041-1053.

26. Yakusheva N.A., Zhuravlev K.S., Chikichev S.I., Shegaj O.A. Liquid phase epitaxial growth of undoped gallium arsenide from bismuth and gallium melts. Cryst. Res. Technol., 1989, v.24, № 2, p.235-246.

27. Szafranek I., Piano M.A., McCollum M.J., Stockman S.A., Jackson S.L., Cheng K.Y., Stillman G.E. Growth-induced shallow acceptor defect and related luminescence effects in molecular beam epitaxial GaAs. J. Appl. Phys., 1990, v.68, № 2, p.741-754.

28. Hsu J.K., Jones S.H., Lau K.M. A new analytical technique-----of—photoluminescence for — optimization of organometallicchemical vapor deposition. J. Appl. Phys., 1986, v. 60, № 10, p.3781-3784.

29. Адирович Э.И. Некоторые вопросы теории люминесценции кристаллов. Гос. Изд. Технико-теоретической литературы, М., 1956, 350 с.

30. Антонов-Романовский В.В. Кинетика фотолюминесценции кри-сталлофосфоров. Наука, М., 1966, 324 с.

31. Martin G.M., Mittonneau A., Mircea A. Electron traps in bulk and epitaxial GaAs crystals. Electron Lett., 1977, v.13, № 7, p.191-193.

32. Bolkhovityanov Yu.B., Bolkhovityanova R.I., Hairi E.H., Chikichev S.I., Yudaev V.I. A multipurpose graphite boat •for LPE growth of multilayer heterostructure. Gryst. Res. Technol., 1982, v.17, № 12, p.1491-1499.

33. Якушева H.A., Журавлев К.С., Шегай О.А. Об «очистке» арсе-нида галлия висмутом. ФТП, 1988, т.22, № 11, с.2083-2086.

34. Журавлев К.С., Калагин А.К., Мошегов Н.Т., Торопов А.И., Шамирзаев Т.С., Шегай О.А. Влияние температуры зоны крекинга твердотельного источника мышьяка на состав фоновых примесей в GaAs, полученном методом МЛЭ. ФТП, 1996, т.30, № 9, с.1704-1717.

35. Zhuravlev К.S., Toropov А. I., Shamirzaev Т.S., Bakarov А.К. Photoluminescence of high-quality AlGaAs layers grown by molecular-beam epitaxy. Appl. Phys. Lett., 2000, v.76, № 9, p.1131-1133.

36. Журавлев К.С., Торопов А.И., Шамирзаев Т.С., Бакаров А.К., Раков Ю.Н., Мякишев Ю.Б. Применение высокочистых слоев

37. AlxGaixAs в эпитаксиальных структурах для мощных полевых СВЧ транзисторов. Письма в ЖГФ, 1999, т.25, № 15, с. 815.

38. Журавлев К.С. Излучательная рекомбинация в эпитаксиальном p-GaAs с примесными комплексами. Диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. наук. Новосибирск, 1991, 161 с.

39. Шамирзаев Т.С. Центры рекомбинации в нелегированном и сильно легированном акцепторами эпитаксиальном GaAs. Диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. наук. -Новосибирск, 1998, 158 с.

40. Zhuravlev K.S., Petrov D.V. Bolkhovityanov Yu.B., Ru-daja N.S. Effect of surface acoustic waves on low-temperature photoluminescence of GaAs. Appl. Phys. Lett., 1997, v.70, № 25, p.3389-3391.

41. Rocke C., Zimmermann S., Wixforth A., Kotthaus J.P., Bohm G., Weimann G. Acoustically Driven Storage of Light in a Quantum Well. Phys. Rev. Lett., 1997, v.78, № 21, p.4099-4102.

42. Rocke C., Govorov A.O., Wixforth A., Bohm G. Weimann G. Exciton ionization in a quantum well studied by surface acoustic waves. Phys. Rev. B, 1998, v.57, № 12, p.R6850-R6853.

43. Дричко И.JI., Дьяконов A.M., Крещук A.M., Полянская Т.А., Савельев И.Г., Смирнов И.Ю., Суслов А.В. Проявление эффекта локализации электронов в осцилляциях поглощения звука в режиме квантового эффекта Холла ФТП, 1997, т.31, №4, с. 451-458.

44. Wixforth A., Scriba J., Wassermeier M., Kotthaus J.P., Weimann G., Schlapp W. Surface acoustic waves on GaAs / AlxGaxxAs heterostructures. Phys. Rev. B, 1989, v.40, № 11, p.7874-7887.

45. Шегай О.А. Спектроскопия мелких примесей в Ge, GaAs и сверхрешетках (GaAs)n(InAs)m в магнитном поле. Диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. наук. Новосибирск, 1995, 145 с.

46. Shah J., Leite R.C.C. Radiative Recombination from Photo-excited Hot Carriers in GaAs. Phys. Rev. Lett., 1969, v.22, № 24, p.1304-1307.

47. Queisser H.J., Theodorou D.E. Hall-effect analysis of persistent photocurrents in л-GaAs layers. Phys. Rev. Lett., 1979, v.43, № 5, p.401-404.

48. Dohler G.H. Doping superlattices («п-i-p-i crystals»). -IEEE J. Quantum Electron., 1986, v.QE-22, № 9, p.1682-1695.

49. Альперович В.JI., Кравченко А.Ф., Паханов Н.А., Терехов А.С. Влияние осциллирующей ЭДС Дембера на спектры фо-тоЭДС арсенида галлия. ФТП, 1980, т.14, № 9, с.1768-1771.

50. Kim М.Н., Piano М.А., Haase М.А., Stillman G.E., Wang W.I. Photo-Hall studies of high-purity GaAs. J. Appl. Phys., 1991, v.70, № 12, p.7425-7433.

51. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. Наука, М., 1979, 416 с.

52. Bhattacharya Р. К., Dhar S., Berger P., Juang F.Y. Low defect densities in molecular beam epitaxial GaAs achievedby isoelectronic In doping. Appl. Phys. Lett., 1986, v.49, № 8, p.470-472.

53. Brehme S., Krispin P., Lubyshev D.I. Hole traps in indium-doped and indium-free GaAs grown by molecular beam epitaxy. Semicond. Sci. Technol., 1992, v.7, № 4, p.467-471.

54. Kim H.K., Schlesinger Т.Е., Milnes A.G. Study of isoelectronic In doping in molecular beam epitaxy grown GaAs thy-ristors. J. Vac. Sci. Tech. B, 1990, v.8, № 2, p.374-378.

55. Li A.Z., Kim H.K., Jeong J.C., Wong D., Schlesinger Т.Е., Milnes A.G. Trap suppression by isoelectronic In or Sb doping in Si-doped л-GaAs grown by molecular-beam epitaxy J. Appl. Phys., 1988, v.64, № 7, p.3497-3504.

56. Laurenti J.P., Roentgen P., Wolter K., Seibert K., Kurz H., Camassel J. Indium-doped GaAs: A very dilute alloy system. Phys. Rev. B, 1988, v.37, № 8, p.4155-4163.

57. Lee M.K., Chiu Т.Н., Dayem A., Agyekum E. Isoelectronic doping in GaAs epilayers grown by molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Lett., 1988, v.53, № 26, p.2653-2655.

58. Dhar S., Kanad Mallik, Nag B.R. Characteristics of indium-doped GaAs layers grown by liquid phase epitaxy with indium content in the range (0.3-7) xlO19 cm-3. J. Appl. Phys., 1991, v.69, № 6, p.3578-3582.

59. Adachi S. Material parameters of In^GaxAsyPi-y and related binaries. J. Appl. Phys., 1982, v.53, № 12, p.8775-8792.

60. Akimoto K., Kamada M., Taira K., Arai M., Watanabe N. Pho-toluminescence killer center in AlGaAs grown by molecularbeam epitaxy. J. Appl. Phys., 1986, v.59, № 8, p.2833-2836.

61. Peaker A.R., Saleemi F. Defect energy levels in AlGaAs. -В кн. Properties of aluminium gallium arsenide, p.269-277. INSPEC, London, 1993.

62. Qurashi U.S., Zafar Iqbal M., Andersson T.G. Effects of A1 doping on deep levels in molecular-beam-epitaxy GaAs. -J. Appl. Phys., 1995, v.78, № 8, p.5035-5041.

63. Qurashi U.S., Zafar Iqbal M., Andersson T.G. Photolumines-cence study of A1 doping in GaAs grown by molecular-beam epitaxy. J. Appl. Phys., 1996, v.80, № 10, p.5932-5940.

64. Pavesi L., Guzzi M. Photoluminescence of AlxGaixAs alloys. J. Appl. Phys., 1994, v.75, № 10, p.4779-4842.

65. Guzzi M., Grilli E., Oggioni S. Staehli J.L., Bosio C. Pavesi L. Indirect-energy-gap dependence on A1 concentration in AlxGa!xAs alloys. Phys. Rev. B, 1992, v.45, № 19, p.10951-10957.

66. Heilman R., Oelgart G. Ionization energy of the carbon acceptor in AlxGaixAs. Semicond. Sci. Technol., 1990, v.5, № 10, p. 1040-1045.

67. Mooney P.M. Donor-related levels in GaAs and AlxGaixAs. -Semicond. Sci. Technol., 1991, v.6, № 10B, p.Bl-B8.

68. Chand N., Henderson Т., Klem J., Masselink W.T, Fischer R., Chang Y., Morkoc H. Comprehensive analysis of Si-doped AlxGaixAs (x = 0 to 1): Theory and experiments. -Phys. Rev. B, 1984, v.30, № 8, p.4481-4492.

69. Журавлев К.С., Гилинский A.M. Подвижная линия акцепторной фотолкминесценции «чистого» GaAs. Письма в ЖЭТФ, 1997, т.65, № 1, с.81-85.

70. Eagles D.M. Optical absorption and recombination radiation in semiconductors due to transitions between hydrogen-like acceptor impurity levels and the conduction band.

71. J. Phys. Chem. Solids, I960, v.16, N 1-2, p.76-83.

72. Schubert E.F., Gobel E.O., Horikoshi Y., Ploog K., Quis-ser H.J. Alloy broadening in photoluminescence spectra of AlxGaixAs. Phys. Rev. B, 1984, v.30, № 2, p.813-820.

73. Langer J.M., Buczko R., Stoneham A.M. Alloy broadening of the near-gap luminescence and the natural band offset in semiconductor alloys. Semicond. Sci. Technol., 1992, v.7, № 4, p.547-551.

74. Stringfellow G.B., Linnebach R. Photoluminescence of shallow acceptors in epitaxial AlxGaixAs. J. Appl. Phys., 1980, v.51, № 4, p.2212-2217.

75. Емельяненко О.В., Наследов Д.Н., Недеогло Д.Д. Разогрев электронов в арсениде галлия и фосфиде индия при низких температурах. ФТТ, 1973, т.15, № 6, с.1712-1717.

76. Schairer W., Stath N. Impact ionization of donors in semiconductors as a tool for photoluminescence investigations.- J. Appl. Phys., 1972, v.43, № 2, p.447-450.

77. Попов В.В., Чаплик А.В. Ионизация мелких примесей ультразвуком. ФТП, 1976, т.10, № 9, с.1780-1781.

78. Colson W.B. Short wavelength free electron lasers in 2000.- Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2001, v.475, № 1-3, p.397-400.

79. Vinh N.Q., Phillips J., Gordon Davies, Gregorkiewicz T. Time-resolved free-electron laser spectroscopy of a copper isoelectronic center in silicon. Phys. Rev. B, 2005, v.71, № 8, p.085206 (5 pages).

80. Armistead C.J., Knowles P., Najda S.P., Stradling R.A. Far-infrared studies of central-cell structure of shallow donors in GaAs and InP. J. Phys. C: Solid State Phys., 1984, v.17, № 35, p.6415-6434.

81. Fetterman H.R., Larsen D.M., Stillman G.E., Tannen-wald P.E., Waldman J. Field-dependent central-cell corrections in GaAs by laser spectroscopy. Phys. Rev. Lett., 1971, v.26, № 16, p.975-978.

82. Makado P.C., McGill N.C. Energy levels of a neutral hydrogen-like system in a constant magnetic field of arbitrary strength. J. Phys. C: Solid State Phys., 1986, v. 19, № 6, p.873-885.

83. Korn D.M., Larsen D.M. Stark effect on donor transitions in high-purity GaAs. Solid State Commun., 1973, v. 13, № 7,p.807-810.

84. Larsen D.M. Inhomogeneous broadening of the Lyman-series absorption of simple hydrogenic donors. Phys. Rev. B, 1976, v.13, № 4, p.1681-1691.

85. Allan G.R., Black A., Pidgeon C.R., Gornik E., Seiden-busch W., Colter P. Impurity and Landau-level electron lifetimes in л-type GaAs. Phys. Rev. B, 1985, v.31, № 6, p.3560-3567.

86. Rossi J.A., Wolfe C.M., Dimmock J.O. Acceptor luminescence in high-purity л-type GaAs. Phys. Rev. Lett., 1970, v.25, № 23, p.1614-1617.

87. Рудая H.C., Болховитянов Ю.Б., Журавлев К.С., Шегай О.А., Якушева Н.А. Высокочистый GaAs, выращенный из раствора GaAs в Bi, легированного иттербием. Письма в ЖТФ, 1990, т.16, № 9, с.37-40.

88. Lu Z.H., Hanna М.С., Szmyd D.M., Oh E.G., Majerfeld A. Determination of donor and acceptor densities in high-purity GaAs from photoluminescence analysis. Appl. Phys. Lett., 1990, v.56, № 2, p.177-179.

89. Зверев B.H. Магнитопримесные осцилляции в арсениде галлия. Письма в ЖЭТФ, 1983, т.37, № 2, с.89-92.

90. Зверев В.Н., Шовкун Д.В. Экспериментальное исследование магнитопримесных осцилляций в арсениде галлия. ЖЭТФ, 1984, т.87, № 5, с.1745-1755.

91. Ruhle W., Gobel Е. New aspects of the magnetoluminescence of a band to acceptor transition in GaAs. Phys. Stat. Solidi B, 1976, v.78, № 1, p.311-317.