Фото- и электролюминесценция эрбия в полупроводниковых матрицах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

РГ5 ОД

> ДЫИ998 УДК 53,376:546,8

На правах рукописи

ГУСЕВ Олег Борисович

ФОТО- И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЭРБИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТРИЦАХ

(специальность 01.04.07 - физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член-корр. РАН A.A. Андронов,

доктор физико-математических наук, профессор JI.E. Воробьев,

доктор физико-математических наук,

ст. научный сотрудник А.Н. Титков.

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН (Москва).

Защита состоится ~~ßjL/UActyiJt- г. в i2 часов на

заседании специализированного совета Д 003.23.03 при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН по адрес)': 194021. Санкт-Петербург. ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан " 2Ь " МлЛе^гЛ^_199g г.

Ученый секретарь специализированного

совета Д 003.23.03 . „-----"

канд. физ.-мат.. наук \ '•»• ^ ' A.A. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное исследование люминесценции эрбия в полупроводниковых матрицах в последние годы вызвано тем. что длина волны 1.54 мкм. соответствующая оптическому переходу из первого возбужденного состояния 411з;2 в основное состояние внутренней 4Г-оболочки иона Ег3. совпадает с минимумом потерь в современных кварцевых волоконно-оптических линиях связи. В отличие от диэлектрических матриц, где возбуждение ионов эрбия происходит прямым поглощением фотонов, в полупроводниковых матрицах возбуждение происходит через свободные носители заряда. Несмотря на высокий технологический уровень, достигнутый в создании источников излучения на межзонных переходах в полупроводниках Аш В4, эрбий в полупроводниковых матрицах считается хорошей альтернативой из-за узкой и температурно-независимой длины волны излучения. Перспектива создания нового класса оптоэлектронных приборов, работающих на основе полупроводников, легированных эрбием, стимулировала интенсивную работу в этом направлении в ряде полупроводниковых центров.

Поэтом}' актуальной проблемой является исследование фото- и электролюминесценции эрбия в наиболее перспективных для оптоэлектронных приложений полупроводниковых матрицах:

кристаллическом кремнии, аморфном гидрогенизированном кремнии и гетеропереходах на основе СаАв/АЮаАз.

Эффективность оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковой матрицы, легированной эрбием, будет определяться в первую очередь эффективностью передачи энергии от носителей заряда полупроводниковой матрицы во внутреннюю 4£- оболочку ионов эрбия. Поэтому исследование механизмов передачи энергии от свободных носителей заряда (электронов и/или дырок) сильно локализованным 4Г-элекгронам эрбия, основное состояние которых находится ниже дна валентной зоны примерно на 10 эВ. является актуальной задачей физики полупроводников. Следует отметить. что здесь мы имеем дело с принципиально новым объектом физики полупроводников, где на первое место выступает взаимодействие между электронами и дырками полупроводника и почти свободными редкоземельными ионами. Кроме эффективности передачи энергии в 4Г- оболочку эрбия, квантовый выход будет зависеть от механизмов девозбуждения эрбия и температурного гашения эрбиевой люминесценции.

Наибольший интерес вызывает кристаллический кремний.

легированный эрбием, так как он является базовым материалом современной электроники с хорошо отработанной технологией его получения.

Кристаллический кремний мог бы быть идеальным материалом для оптоэлектроники. поскольку его можно использовать для интегрируемых оптических цепей. Так как возможность создания волноводов, модуляторов и детекторов в кремнии уже продемонстрирована, одним из основных ограничений применения кремния в оптоэлектронике в настоящее время является получение эффективного, стабильного, совместимого с оптическим волокном источника света.

Аморфный гидрогенизированный кремний. обладающий полупроводниковыми свойствами, привлекает простотой и дешевизной получения оптически активной среды, содержащей эрбий. Еще одним достоинством этой аморфной матрицы является значительно более легкое получение фото- и электролюминесценции при комнатных температурах.

Интерес к исследованию эрбия в системе на основе СаАз/АЮаАБ вызван тем. что в этом широкозонном полупроводнике возможна трехуровневая схема возбуждения ионов эрбия, что делает этот материал перспективным для создания квантовых усилителей и лазеров.

Целью настоящей работы является экспериментальное выявление и теоретическое подтверждение механизмов фото- и электровозбуждения, девозбуждения и температурного гашения эрбиевой люминесценции в кристаллическом кремнии, аморфном гидрогенизированном кремнии и в структурах на основе ваАз/АЮаАз. контроль технологии введения эрбия в эти полупроводниковые матрицы, разработка и создание новых светоизлучающих структу р на длину волны 1.54 мкм.

Новое научное направление исследований. которое сформировалось в процессе выполнения диссертационной работы, - фото- и электролюминесценции полупроводниковых матриц, легированных эрбием.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Установлены механизмы электронного возбуждения, девозбуждения ионов эрбия и температурного гашения в кристаллическом кремнии как при фотовозбуждении, так и при электровозбуждении (при прямом и обратном смещении на р - п- переходе).

- Впервые реализована трехуровневая схема возбуждения ионов эрбия в обратно смещенном р - п-переходе на основе кремния за счет резонансного оже-возбуждения в процессе рекомбинации электронов из А;- подзоны зоны проводимости с дырками.

- Впервые наблюдалась фотолюминесценция эрбия, и определен механизм

фотовозбуждения и температурного гашения фотолюминесценции в аморфном гидрогенизированном кремнии. полученном методом магнетронного распыления.

- Впервые наблюдалась и исследовалась электролюминесценция эрбия на длине волны 1.54 мкм при комнатной температуре на основе аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием.

- Предложена и разработана теоретическая модель электронного возбуждения 4f- оболочки иона эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии.

- Впервые наблюдалась и исследовалась интердиффузия А1 и Ga и диффузия эрбия в системе AlGaAs/GaAs при введении эрбия в процессе молекулярно- лучевой эпитаксии.

- Впервые исследован механизм возбуждения, девозбуждения и температурного гашения эрбиевой люминесценции на переходе 11 i 3 3 - 4I1SC во внутренней 4f- оболочке иона эрбия (1.54 мкм) в AlGaAs.

Наушая и практическая ценность диссертационной работы состоит в получении обширной новой информации о механизмах возбуждения, девозбуждения эрбия и температурного гашения эрбиевой ФЛ в полупроводниковых матрицах для оптимизации уже существующих светоизлучающих структур на длине волны 1.54 мкм и создания новых. Полученные результаты отражают как общие закономерности механизмов возбуждения и температурного гашения эрбия в полупроводниковых матрицах, так и конкретные особенности, присущие каждой из исследовавшихся матриц.

Практическое значение имеет также и развитая в диссертационной работе оригинальная методика исследования механизмов возбуждения и температурного гашения, основанная на параллельном исследовании спектров матриц и электрических характеристик структур (в случае электролюминесценции). Развитая методика применима и к исследованию других редкоземельных ионов в полупроводниковых матрицах.

Достоверность полученных в диссертации основных результатов определяется использованием наряду с современными методами спектроскопии, проведением одновременно электрических измерений исследованных объектов и использованием методов полупроводникового материаловедения (SIMS, RBS), а также ясной физической трактовкой основных результатов, подтверждаемых разработанными теоретическими моделями и качественным и количественным согласием между расчетами и экспериментальными результатами.

Основные положения, выносимые защиту.

1. Во всех исследовавшихся в работе полупроводниковых матрицах определяющую роль в процессах возбуждения и девозбуждения 41"-оболочки ионов Ег"3 играют примесные состояния в запрещенной зоне полупроводника, обусловленные введением эрбия.

2. В кристаллическом кремнии при фотовозбуждении оптически активных ионов эрбия возбуждение происходит через захват свободных экситонов на нейтральный донорный уровень, образованный эрбий -кислородным комплексом с последующим оже-возбужаением 4Г- оболочки эрбия при рекомбинации связанного экситона. Температурное гашение зрбиевой люминесценции определяется отрывом связанного экситона с донорного эрбиевого комплекса при низких температурах и ионизацией самого донорного центра при высоких температурах.

3. При электронном возбуждении эрбия в кристаллическом кремнии в случае прямого смещения на р - п-переходе механизм возбуждения и температурного гашения такой же. как и в случае фотовозбуждения (экситонный).

4. При обратном смещении на р - п-переходе важную роль играет подзона Д2 - зоны проводимости кремния, расположенная на 100 мэВ выше основной подзоны Д|. Туннелирующие электроны из валентной зоны переходят сразу в эту подзону Д;.

5. Горячая люминесценция в кристаллическом кремнии при обратном смещении обусловлена прямыми разрешенными излучательными переходами электронов из Д; - подзоны в Д, -подзону зоны проводимости.

6. При обратном смещении на р - п-переходе механизм возбуждения - оже-процесс рекомбинации электронов из второй подзоны зоны проводимости с дырками валентной зоны. При температуре 150-170К

этот процесс становится резонансным. При этом важным является то обстоятельство, что возбуждение иона эрбия происходит из основного состояния во второе возбужденное, что благоприятно для создания инверсной заселенности мстастабильного уровня 41ип, переход с которого в основное состояние Ь у; сопровождается излечением на длине волны 1.54 мкм.

7. В основе механизма фотовозбуждения ионов эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии лежит оже-процесс. При этом электрон из зоны проводимости захватывается дефектом в состоянии Б0 с образованием состояния 0\ и за счет кулоновского взаимодействия энергия передается 4f -оболочке иона эрбия, в которой осуществляется переход 4115-; —> Температурное гашение эрбиевой люминесценции в этой матрице

обусловлено многофононным процессом захвата носителей, конкурирующим с оже - процессом возбуждения.

8. На основе аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием. возможно создание эффективной электролюминесцентной структуры, излучающей на переходе 4115/2 - '^з,; 4Г - оболочки иона эрбия (1.54 мкм) при комнатной температуре. В основе механизма возбуждения электролюминесценции лежит монополярный процесс - захват электронов на Э" центры, сопровождающийся оже-возбуждением ионов эрбия с последующей обратной термостимулированной туннельной эмиссией электронов в сильном электрическом поле с уровня О" в зону проводимости.

9. Введение эрбия молекулярно-лучевой эпитаксией в квантовые ямы АЮаАБ/СаАБ приводит к сильной диффузии Ег и взаимодиффузии Ба и А1, в результате которой происходит разрушение квантовых ям. Это явление обусловлено значительно большими размерами эрбиевого иона, по сравнению с ионами ва и А1. что приводит к повышенной концентрации вакансий и. соответственно, к увеличению коэффициента диффузии.

10. В АЮаАэ возбуждение 4Г- оболочки иона эрбия происходит через верхние возбужденные состояния и 11 ] ^ ^ • что делает этот материал перспективным для создания квантовых усилителей и лазеров. Температурное гашение эрбиевой люминесценции, возбуждаемой через мелкие ловушки, обусловлено термическим опустошением дефектных уровней. Температурное гашение эрбиевой люминесценции, возбуждаемой через глубокую ловушку. связано с многофононным термостимулированным переходом.

11. Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались: на 10 Международном Феофиловском семинаре (Россия). 1995 г.. 18-ой Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Япония), 1995 г., 2-ой Российской конференции по физике полупроводников (Россия), 1996 г., Весенней конференции общества по исследованию материалов (США). 1996 г.. 17-ой Международной конференции по аморфным и микрокристаллическим полупроводникам (Венгрия). 1997 г., 19-ой Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Португалия). 1997 г.. 23- ей Международной конференции по физике полупроводников (Германия), 1996 г.. конференции Международного общества оптической техники (США), 1997 г.. Всероссийском совещании "Нанострукту ры на основе кремния и германия". 1998 г.. Европейской весенней конференции общества по исследованию материалов (Франция). 1998 г.. 24-ой Международной конференции по физике полупроводников (Израиль). 1998 г.

Публикации. По результатам исследований, изложенным в диссертации, опубликовано 35 научных работ в ведущих отечественных и международных журналах, а также в трудах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех частей, заключения, двух приложений и списка литературы из 90 наименований. Объем диссертации составляет 208 страниц, включая 87 рисунков и одну таблицу'.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации сформулирована актуальность темы, цель работы, научная и практическая ценность исследований, проведенных в диссертационной работе, их научная новизна, и перечисляются основные положения, которые выносятся на защиту.

Первая часть диссертации посвящена результатам исследования фото -и электролюминесценции кристаллического кремния, легированного эрбием. Образцы и электролюминесцентные структуры были предоставлены Н А. Соболевым (ФТИ им. А.Ф. Иоффе).

Во введении к первой главе даны общие сведения об эрбии в полупроводниковых матрицах.

Редкоземельный элемент эрбий имеет незаполненную 4Г- оболочку , которая в состоянии нейтрального атома содержит 11 электронов. В полупроводниковых матрицах эрбий находится, как правило, в трехвалентном состоянии Ег3" с основным состоянием 4141(4115;). Энергетическое положение основного состояния 4Г- терма иона Ег3" примерно на десять электронвольт ниже края валентной зоны. На рис. 1 показаны нижние энергетические уровни 4Г- терма трехвалентного иона эрбия.

В полупроводниковой матрице каждый из уровней 4Г- терма расщеплен кристаллическим полем на несколько подуровней (эффект Штарка). Число их зависит от точечной группы симметрии кристалла в месте расположения иона. Поэтому в спектрах люминесценции, связанных с переходами в 4Г- оболочке, наблюдаются несколько узких атомоподобных линий.

Введение эрбия в полупроводниковые матрицы приводит к появлению электронных состояний в запрещенной зоне. В зависимости от матрицы это могут быть донорные/акцепторные состояния, глубокие дефектные центры или изоэлектронная примесь, как это имеет место в полупроводниках Аш В4,.

15

I

Е

о

10 -

>ч СП

<и с

ы 5

0 -

9/2

9/2

+|11/2

"1

£ 3.

со

15/2

Ег

,3+

Е а.

ю ш

-0.54

-0.66 0.80 0.98

-1.53

ст> с

_5>

о >

о

Рис. 1. Диаграмма тергетическич уровней иона чрбия Р.г'" в свободном состоянии (сжпа) и в твердотельной матрице (справа).

Несмотря на большое число работ по люминесценции эрбия в полупроводниковых матрицах, механизмы возбуждения, девозбуждения и температурного гашения эрбиевой люминесценции оставались невыясненными. Значительный шаг в понимании процессов возбуждения 4Г- оболочки иона эрбия был сделан в классической теоретической работе Яссиевич и Кимерлинга [1]. Они показали, что основной механизм возбуждения эрбия в полупроводниковых матрицах - это оже-процесс, и он является особенно эффективным при участии локализованных электронных состояний в запрещенной зоне, обусловленных введением эрбия. Однако особенности механизма возбуждения, девозбуждения эрбия и температурного гашения эрбиевой люминесценции в сильной степени зависят от материала матрицы, метода введения эрбия, способа возбуждения.

Первая глава первой части посвящена исследованию фотолюминесценции эрбия в кристаллическом кремнии. На рис. 2 показан типичный спектр фотолюминесценции (ФЛ) монокристаллического

кремния, легированного эрбием методом имплантации, при Т = 1.8 К. В спектральной области 1.5 мкм хорошо наблюдаются пять узких линий, обусловленных переходами из первого возбужденного состояния 41]3.; в основное состояние % v? во внутренней 4f- оболочке иона Ег3". Наблюдение пяти линий связано с расщеплением основного состояния 'in; кристаллическим полем матрицы. В спектральной области около 1.12 мкм наблюдается линия свободного эксигона кристаллического кремния.

На рис. 3 приведены зависимости интенсивностей линии эрбиевой люминесценции на длине волны 1.54 мкм и экситонной люминесценции 1.12 мкм от интенсивности накачки. Характерным для всех исследованных

Рис. 2. Спектр фотолюминесценции монокристаллического кремния,

легированного эрбием. Т = 1.8 К.

Рис. 3. Зависимость интенсивности экситонной (A -- 1.12 мкм) и эрбиевой (Л. = 1.54 мкм) фотолюминесценции c-Si:Er от мощности накачки. Т = 80 К.

образцов является медленный рост интенсивности экситонной линии в области слабых накачек, и только когда интенсивность эрбиевой люминесценции насыщается, начинается сильный рост экситонной люминесценции. Этот факт может указывать на то. что процесс передачи энергии от матрицы кремния в - оболочку иона эрбия происходит через свободные экситоны. Еще одним доказательством экситонного механизма возбуждения является слабое отличие в интенсивностях люминесценции при возбуждении люминесценции со стороны подложки толщиной 300 мкм и со стороны имплантированного на глубину 1 мкм слоя эрбия.

Предлагаемая в диссертационной работе схема оже-процесса возбуждения ионов эрбия с участием экситонов [А5.А8.А9.А28] представлена на рис. 4. Данные по спектроскопии глу боких уровней (БЬТБ) и по- рентгеновскому рассеянию показывают, что оптически активные эрбиевые центры в кристаллическом кремнии (это эрбий в междоузельно.м

положении в окружении шести атомов кислорода) образуют донорнын уровень с энергией связи Еп = 0.15 - 0.20 эВ [2].

При межзонном поглощении света матрицей кремния образуются свободные экситоны. Поскольку свободные экситоны состоят из электронных и дырочных состояний, далеко разнесенных в к -пространстве, вероятность их рекомбинации мала, что приводит к большим временам жизни свободных экситонов в кристаллическом кремнии (~Ш мкс). Поэтому за время жизни свободный экситон имеет большую вероятность быть захваченным на нейтральный (при низких температурах) донорный уровень, образованный эрбий-кислородным комплексом.

Возбуждение иона Егэ" происходит через кулоновское взаимодействие между 4?- электронами и носителями заряда матрицы при оже-рекомбинации связанного экситона. В результате 4Г- электрон иона Ег3+ переходит с основного '[| на первый возбужденный уровень ; (см. рис. 4). Избыток энергии передается электрону, находящемуся на доноре. Большая вероятность этого оже-процесса возбуждения эрбия обусловлена тем. что экситон связан непосредственно с нейтральным эрбиевым донорным центром. Наличие двух близко расположенных электронов позволяет легко выполнить закон сохранения энергии при оже-возбуждении.

С

Эег

¡3/2

15/2

Рис. 4. Схема экситонного механизма ояш-возбужлемия >рбия.

Очевидно, что при таком оже-процессе возбуждения с повышением температуры должно наблюдаться возрастание интенсивности ФЛ свободных экситонов за счет отрыва их от нейтральных донорны.х уровней и одновременное уменьшение интенсивности эрбиевой люминесценции. Именно такое поведение можно видеть на рис. 5, где представлены

зависимости интенсивностей эроисвой и экситонной люминесценции от температуры. Как видно из этого рису нка, температурная зависимость интенсивности эрбиевой люминесценции на длине волны 1.54 мкм имеет два линейных участка с энергиями активации 15 - 20 мэВ и 150 мэВ. первый из которых объясняется отрывом связанного экситона (энергия связи около 15 мэВ) от оптически активного эрбиевого донорного центра, второй термической ионизацией самого донорного центра.

В этой же главе приведены результаты исследования влияния атмосферы и температуры постимплантационного отжига на квантовую эффективность эрбиевой люминесценции (А1].

Глава вторая первой части посвящена электролюминесценции (ЭЛ) кристаллического кремния, легированного эрбием, при прямом смещении на р - n-переходе. Процесс получения р - n-нерехода достаточно прост. В кремниевую подложку р - типа производилась совместная имплантация кремния и кислорода. В этом случае эрбиевые комплексы проявляют себя как донорные центры. При подаче напряжения на р - п-переход в прямом направлении в спектре электролюминесценции наблюдается так же. как и в фотолюминесценции. линия свободного экситона и эрбиевая люминесценция.

При малых токах интенсивность экситонной линии слабо зависит от тока накачки. И только после насыщения линии эрбия наступает линейный рост линии свободного экситона т.е. так. как и в случае фотолюминесценции (рис. 6). Температу рные зависимости интенсивности

6 8 10 1000/Т, К

40 60 80 Ток. мА

Рис. 5. Тсяисрапрные '.зависимости ингенсивностей экситонной (/. = 1.12 мкм) и эрбиевой (/. = 1.54 мкм) ФЛ и ЭЛ .

Рис. 6. Зависимость интенсивности •экситонной ЭЛ (I = 1.12 мкм) и эрбиевой ЭЛ (к = 1.54 мкм) ЭЛ от тока при прямом смещении. Т = 80 К.

ЭЛ экситонной и эрбиевой линии имеют точно такой же вид как и в случае фотолюминесценции (рис. 5). Полученные экспериментальные результаты

несомненно указывают на то. что возбуждение оптически активных ионов эрбия и в случае ЭЛ при прямом смещении на р - п-переходе происходит через свободные экситоны.

Процесс возбуждения эрбия через свободные экситоны можно описать системой кинетических уравнений, приведенных во второй главе [А91:

(1п

— = О - аир - Ьпр, (1)

£///, пх пх

= аир——* ш г, г

ТУ*

I _ Ег

N

(2)

Ег

л

'1* *

г

1--

N.

Ег К

Ег

(3)

Уравнение (1) описывает баланс концентрации свободных электронов. 2 - баланс концентрации свободных экситонов. 3 - баланс концентрации возбужденных ионов эрбия. Здесь О - скорость генерации электронно- дырочных пар. п. пх и КЕг - концентрации свободных электронов, свободных экситонов и полная концентрация ионов эрбия.

соответственно. И*Ег - концентрация возбужденных ионов эрбия. тх . т*. ха - соответственно, время жизни свободного экситона. время передачи возбуждения в 4Г- оболочку иона эрбия и полное время жизни иона эрбия (учитывающее как излучательные, так и безызлучательные переходы). В уравнении (2) первый член соответствует приходу свободных экситонов. второй--их рекомбинации, и третий описывает процесс захвата свободных экситонов на эрбиевые центры. Выражение в квадратных скобках описывает процесс насыщения числа возбужденных ионов эрбия. Из последнего уравнения видно, что при высоких уровнях накачки интенсивность эрбиевой люминесценции будет определяться только концентрацией оптически активных ионов эрбия и их временем жизни в возбужденном состоянии. Как видно из сравнения с экспериментальными зависимостями, предложенная модель оже-возбуждения 4Г- оболочки иона эрбия экситонами. хорошо описывает полученные экспериментальные

3

3,0

ь 2,5

к

п 2,0

«=:

е 1 в

1°

о о 1,0

X

Й 0,5

к

0,0

к

- Ех„/

Ег

/ у'

' / " / 1

20 40 60 80 100 Интенсивность накачки, отн. ед.

Рис. 7. Расчетные зависимости интенсивности ФЛ(ЭЛ) от уровня накачки.

8 ю

1000/Т, к '

Рис. 8. Расчетные температурные зависимости ннтенсивностей экситонной и эрбиевой ФЛ(ЭЛ).

результаты.

Полная теоретическая модель оже-возбуждения через свободные экситоны с учетом температуры приведена в третьей главе первой части диссертации [А8]. На рис. 7 и 8 показаны теоретические зависимости интенсивности ЭЛ линий свободного экситона и эрбия от уровня накачки и их температурные зависимости.

Несмотря на успехи, достигнутые в электролюминесценции эрбия в кристаллическом кремнии при прямом смещении на р - п-переходе, две проблемы серьезно ограничивают применение светодиодов на основе кремния, легированного эрбием, в практических оптоэлекгронных приборах. Первая - низкая интенсивность излучения на длине волны 1.54 мкм при комнатной температуре. Это вызвано как сильным уменьшением эффективности возбуждения ионов эрбия с повышением температуры от азотной до комнатной, что связано с экситонным механизмом передачи возбуждения от матрицы кремния в 4Г- оболочку' иона эрбия, так и с безызлунательными процессами девозбуждения ионов Ег3* .

Вторая проблема заключается в том, что большое излучательное время жизни эрбия в первом возбужденном состоянии \уг 1 мс) ограничивает возможность прямой модуляции светодиода при прямом смещении модуляцией тока на частотах выше 1 кГц, т.е. для практических применений необходима внешняя модуляция светового излучения.

В четвертой главе первой части показано, что при обратном смещении на р - п - переходе можно одновременно решить обе вышеизложенные проблемы, т.е. получить высокую эффективность возбуждения эрбия и высокую частоту модуляции излучения на длине

волны 1.54 мкм. Это реализуется устранением нерадиационных процессов в процессе возбуждения и. наоборот, созданием условий для быстрого девозбуждения эрбия после выключения накачки [А28].

На рис. 9. представлены спектры электролюминесценции светодиода на основе кристаллического кремния при обратном смещении на р - п-переходе. Спектральное положение линии 1.54 мкм хорошо согласуется с переходом 41)3/2 во внутренней 41"- оболочке иона

эрбия Ег3+. Слабо проявляется также вторая линия, обусловленная штарковским расщеплением основного состояния иона эрбия \ 5/2

30-т

25-

а:

о ?0-

с;

о

л

о 10-

о 5-

0>

5 о4

1

77 К ч А.

1.0 1,1

1,2 1,3 1,4 1,5 Длина волны, мкм

1,6 1,7

§ 1.0 В

& 0,8 е?

Г) 0,6 (2

| 0,4

п 5

а о,2

I °°

- 1

- .У ^у- 2

10 15 Ток, мА

20

25

30

Рис. 9. Спеетр ЭЛ кремния, легированного эрбием, при обратном смещении на р-п-переходе.

Рис. 9а. Зависимость интенсивностей: 1 -эрбиевой ЭЛ (Я = 1.54 мкм) и 2 - горячей ЭЛ (X = 1.3 мкм) от тока (в области малых токов). Т=300 К.

кристаллическим полем матрицы кремния. Кроме линии эрбиевой люминесценции, во всем диапазоне чувствительности нашего фотоприемника 0.8 - 1.7 мкм наблюдается широкий спектр горячей люминесценции.

На рис. 10 представлена температурная зависимость интенсивности эрбиевой электролюминесценции этой структуры на длине волны 1.54 мкм при обратном смещении (в режиме постоянного тока). Как видно из этого рисунка, она имеет необычный вид, а именно, интенсивность эрбиевой люминесценции на длине волны 1.54 мкм практически не меняется от 80 К до 160 К, а затем начинает резко возрастать.

Для выяснения механизма возбуждения эрбия были исследованы электрические характеристики р - п-перехода. На рис. 11 показано напряжение на р+- п'- переходе этой же структуры в зависимости от температуры при нескольких токах. Из сравнения рис. 10 и рис. 11 видно, что в широкой области температур наблюдается корреляция в

зависимостях между интенсивностью эрбиевой люминесценции и сопротивлением образца, а именно, в области температур 140 - 160 К. где имеет место максимум ЭЛ эрбия на 1.54 мкм, наблюдается увеличение напряжения на р - п-переходе в режиме постоянного тока. Увеличение напряжения одновременно с резким возрастанием интенсивности эрбиевой ЭЛ на длине волны 1.54 мкм в одной и той же температурной области может указывать на то. что возбуждение эрбиевой люминесценции сопровождается исчезновением электронно-дырочных пар (увеличивается сопротивление р - п перехода).

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1000/Т, К'

10

: 8

; 6

I

I 4

I

: 2 о

_____

240 мА - 180 мА !

120 мА |

. 60 мА |

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1000Я, К"'

Рис. 10. Температурная зависимость Рис. 11. Зависимость напряжения на р - п -

интенсивности ЭЯ эрбия на длине волны 1.54 переходе при обратном смещении от

мкм при обратном смещении на р - п переходе в температуры в режиме постоянного тока, режиме постоянного тока.

Для проверки этого предположения были сняты температурные зависимости интенсивностей эрбиевой люминесценции. горячей люминесценции 'к = 1.35 мкм и тока через образец при постоянном напряжении смещения на р - п-переходе. Как видно из рис. 12. на котором представлены эти зависимости, в одной и той же температурной области около 160 К наблюдается резкий рост эрбиевой люминесценции, который сопровождается резким падением тока через р - п"- переход. Это указывает на то. что в наших структурах действительно возбуждение эрбия сопровождается увеличением сопротивления р - п-перехода (в режиме постоянного напряжения) за счет уменьшения концентрации электронно-дырочных пар. т.е. процесс возбуждения эрбия идет за счет оже-рекомбинации неравновесных носителей, а не ударного возбуждения горячими электронами.

Отметим также, что при этом падает и интенсивность горячей ЭЛ. что тоже указывает на исчезновение носителей заряда.

fi .-л

О 50

о 40

3

200

4 5 6 7 8 9 10 11 1000/Т, К'1

Рис. 12. 'Зависимость ннтенсивностей: 1 -трбиевой ЭЛ на .тине волны 1.54 мкм. 2 -горячей ЭЛ и J - тока чере-5р -n-иореход от температуры црн постоянном обратном напряжении смещения.

На то. что возбуждение эрбия идет за счет оже-рекомбинации. а не ударного возбуждения горячими электронами, указывают зависимости интенсивностей эрбиевой ЭЛ на длине волны 1.54 мкм и горячей люминесценции на длине волны 1.3 мкм от тока в области малых токов (соответственно малых напряжений) при Т = 300 К (см. рис. 9а). Как видно из этого рисунка, эрбиевая ЭЛ в области малых токов наблюдается при полном отсутствии горячей люминесценции (т.е. отсутствии горячих электронов).

На рис. 13 показана предлагаемая схема механизма оже-возбуждения эрбия [А28]. Известно, что зона проводимости кремния состоит из двух подзон Д, и А;. пересекающихся в точке X зоны Бриллюэна и имеющих минимумы в точках 0.85х2тс/а и 2л/а в к - пространстве, соответственно. Энергетическое расстояние между минимумами этих подзон « 100 мэВ. В обратно смещенном р - п-переходе ниже порога ударной ионизации генерация электронно-дырочных пар в обедненной области происходит за счет многофононного термоакгивированного туннелирования |3] через дефектные состояния в запрещенной зоне кремния, обусловленные введением эрбия.

Можно показать, что из - за снмметрийных свойств блоховских амплитуд для зоны проводимости и валентной зоны |4] электроны появляются в более высокой подзоне Д;' зоны проводимости. Отметим, что в случае фотовозбуждения неравновесные электроны появляются в А\ подзоне. Переход электронов с участием фононов из подзоны Д; в подзону

эВ \ ■—------ /¡С, Д: 2\ N. \

Ег",т

ЛЬ

и:

- ->

'1п;(1.26эВ) '1,3с (0.81 эВ)

1.54 мкм • -

4,

5/2

<ш>

Рис. 13. Схема оже-возбуждения иона Ег5' электронами из Д;- подзоны зоны проводимости и радиационных переходов, соответствующих электролюминесценции: 1 - эрбиевая (>. - 1.54 мкм), 2 - горячих электронов.

Д) подавлен, но оптический переход между этими зонами является разрешенным.

Таким образом, широкая полоса люминесценции, обусловленная горячими электронами, обычно наблюдаемая в обратно смещенных р - п-переходах на кремнии, вызывается оптическими переходами электронов, разогретых электрическим полем (горячих электронов) в подзоне Д2 . в подзону Дь Наблюдаемая широкая полоса люминесценции горячих электронов отражает распределение электронов в Д2. Уменьшение интенсивности горячей люминесценции с резким увеличением эрбиевой в одной и той же температурной области (см. рис. 12) прямо указывает на оже-возбуждение эрбия с участием подзоны Д; зоны проводимости.

Оже-возбуждение иона эрбия при рекомбинации свободных зарядов рассматривалось теоретически в [1]. где было показано, что возбуждение эрбия через оже-рекомбинацию электронов подзоны А\ со свободными дырками крайне неэффективно поскольку': 1) закон сохранения энергии в этом случае выполняется только с испусканием большого числа фононов. 2) блоховские амплиту ды зон ортогональны.

С другой стороны, вероятность оже-процесса с участием подзоны Д: процесс очень эффективный. Интеграл перекрытия блоховских фу нкций Д: и вершины валентной зоны равен 0.3 [4]. Особенно важно, что энергия электронов, освобождающаяся в рекомбинационном процессе электронов

из подзоны Д; с дырками, близка к энергии перехода иона эрбия из ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ ВО ВТОрОС ВОЗбуЖДСННОС состояние '1ц/2 (1.26 эВ).

Энергия оже-рекомбинации электронов из А; - подзоны с дырками в валентной зоне при температуре 80 К несколько больше энергии перехода 11)5/2 - 41п/2 в -К"- оболочке иона эрбия Ег3" (энергия перехода 1.26 эВ), и поэтому такой переход возможен только с испусканием фононов. С повышением температуры на 100 градусов ширина запрещенной зоны кремния уменьшается примерно на 10-15 мэВ. и оже-процесс рекомбинации с возбуждением иона эрбия Ег5" из основного состояния '1, V; во второе возбужденное в 4Г- оболочке иона эрбия становится резонансным. Это приводит к резкому возрастанию скорости оже-процесса рекомбинации и. соответственно, скорости возбуждения эрбия. Известно, что электроны из состояния 'Ь > п быстро безызлучательно переходят в первое возбужденное состояние 51|3,;. ЭЛ. наблюдаемая на длине волны 1.54 мкм. соответствует излучательному переход)' из состояния 4113.; в основное % ;,п. Таким образом, в исследованных структурах при обратном смещении на р - п-переходе осуществляется трехуровневая схема возбуждения ионов эрбия, перспективная для получения инверсной заселенности первого возбужденного уровня 41п<2 [АЗЗ].

Экспериментальное значение коэффициента оже-возбуждения эрбия д определялось по нарастанию интенсивности эрбиевой люминесценции в момент включения импульса тока, которое описывается выражением:

8т-

ЕЦ/)= —/-£7^1-ехр

8т +1 Ч

(3)

где г - полное время жизни иона эрбия в возбужденном состоянии. 3 -плотность тока, ц - заряд электрона, т.е. при включении импульса тока интенсивность эрбиевой люминесценции приближается к стационарному состоянию с характерным временем г0„., определяемым как

1 3 1

-= £-+- (4)

^ <7 г

Таким образом, измеряя топ в зависимости от плотности тока, можно определить 5 и г. На рис. 14 показаны результаты измерения

12 3 4

Птакхлътска. А'см

Рис. И. Обратное время нарастания переднего фронта сигнала ЭЛ 1'т;„„ (скорость возбуждения) при включении диода от плошости тока. Температура комнатная.

1;топ от плотности тока через структуру. Из данных, приведенных на этом рисунке, х = 160 мкс. 6 « 3 / К)16 см2 при комнатной температуре. Тогда для коэффициента оже-рекомбинации получаем: у = 8\'Г) / р я 10 26 см6/ с

(для дрейфовой скорости взято значение \ь = 10б см/с). Это экспериментальное значение для коэффициента резонансной оже-рекомбинации по поредку величины соответствует теоретически вычисленному в приложении I диссертации.

Так как при обратном смещении на р - п-переходе ионы эрбия возбуждаются и девозбуждаются в обедненной области перехода, где положение уровня Ферми близко к середине запрещенной зоны и концентрация свободных зарядов низкая я 1016 ем"3, то процессы девозбуждения, связанные с участием свободных носителей, подавлены. При выключении импульса тока область обеднения уменьшается, и возбужденные ионы эрбия оказываются в областях с большой концентрацией свободных носителей « 1019 см"3. Это приводит к резкому сокращению времени жизни возбужденного эрбия из-за оже-процесса девозбуждения через свободные носители. Именно это обстоятельство позволяет осуществлять быструю модуляцию, т.е. работать на высокой частоте следования импульсов тока. В работе 15] (при ударном возбуждении) показана возможность модуляции в обратно смещенных р-п-переходах до частоты 80 кГц.

Во второй части диссертации изложены результаты исследования фото-и электролюминесценции аморфного гидрогенизированного кремния, легированном эрбием (а-5Ш<Ег>) ¡A4.A6.A7.A10.A1K.A21]. Образцы и

электролюминесцентные структуры были предоставлены Е.И. Теруковым (ФТИ им. А.Ф. Иоффе). Аморфный гидрогенизированный кремний, легированный эрбием, на котором были выполнены исследования ФЛ и ЭЛ. получен методом магнетронного распыления эрбия в атмосфере силана ЭкН, и Аг. Стандартный образец - пленка аморфного гидрогенизированного кремния толщиной 1 мкм. осажденная на подложке монокристаллического кремния.

Длина волны, мкм Рис. 15а. Спектр ФЛ a-Si:II-Ег\ при 300 К.

40

30

Т = 18 К

20

10 V

л V, .

Длина волны, мкм

Рис. 156. Спектр ФЛ ¡i-.Si:ll Ег . мри l.üK.

На рис. 15 показаны спектры фотолюминесценции аморфного кремния, легированного эрбием, при двух температурах.

До настоящего времени механизм возбуждения ФЛ эрбия в а.морфном гидрогенизированном кремнии не был известен. На основании исследования поглощения аморфной матрицы и связи этого поглощения с интенсивностью ФЛ эрбия, исследования температурных зависимостей интенсивности эрбиевой и дефектной ФЛ матрицы выявлен механизм возбуждения [А22].

Введение эрбия в аморфную матрицу- приводит к образованию оборванных связей (дефектов), которые могут иметь один электрон (дефект в состоянии D0) или два электрона (дефект в состоянии D ). Эти состояния образуют дефектные уровни примерно в середине запрещенной зоне аморфной матрицы и разделены корреляционной энергией ~ 0.1 - 0.2 эВ (см. рис. 16) [6J.

Энергетическое положение 4f - терма иона эрбия, как и в случае кристаллического кремния и AlGaAs. лежит ниже валентной зоны примерно на 10 эВ.Так же, как и в рассмотренной выше матрице кремния, возбуждение 4f- оболочки иона эрбия происходит через оже-процесс. при котором электрон из зоны проводимости переходит на дефект в состоянии D°. отдавая часть энергии на возбуждение перехода J115о -> ^з :- При

этом дефект переходит в состояние О (рис. 16). При этом же переходе может наблюдаться и собственная дефектная люминесценция.

В Приложении II диссертации рассчитано отношение вероятностей переходов дефектной люминесценции и оже-процесса с возбуждением 4Г-оболочки иона эрбия [А31].

С

О' о"

V

а-&:Н<Ег> Л_

Ег

,3+

СГ

1.54 мкм -►

О

Рис. 16. Схема возбуждения эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии, легированном эрбием.

»

12 1.4 16 1.В

Длина волны.мкм

Рис. 17. Схема ЭЛ структуры на ба:!е аморфного кремния, легированного чрбием.

1'ие. 18. Спектр ЭЛ структуры на основе а-ХШ=-Ег> : при прямом смещении (1) и обратном смещении (2) Т = 300 К.

Интенсивность эрбиевой ФЛ на длине волны 1.54 мкм практически не спадает до комнатной температуры. В работе [А31] показано, что температурное гашение эрбиевой люминесценции определяется

многофононным захватом электронов на О-центры. Расчетная зависимость хорошо описывает наблюдаемое температурное гашение.

Имея такой интересный объект, мы предприняли попытки создать электролюминесцентную структуру с электронной накачкой на базе аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием. На рис . 17 показана схема электролюминесцентной структуры на базе аморфного кремния, легированного эрбием. Это пленка а-5кН<Ег> толщиной 1 мкм. осажденная на кремниевой подложке п-типа и имеющая алюминиевые контакты к подложке и аморфному слою.

На рис. 18 показаны спектры ЭЛ. полученные при прямом и обратном напряжении, приложенном к этой структу ре. Прямое направление соответствовало минусу на подложке и плюсу на алюминиевом контакте аморфного слоя. Все измерения были сделаны в режиме постоянного тока.

Как видно из рисунка, в прямом направлении наблюдается только линия свободного экситона из подложки кристаллического кремния. В обратном направлении наблюдается только линия эрбиевой люминесценции, соответствующая переходу 4113/2 %>'2 в 4Г- оболочке иона Ет3+. Широкая полоса соответствует дефектной люминесценции матрицы аморфного кремния. Очевидно, что при приложении прямого смещения к структуре дырки проходят через слой аморфного кремния в подложку кристаллического кремния, и мы наблюдаем экситонную люминесценцию.

При обратном смещении электроны появляются в зоне проводимости благодаря термостимулированной ионизации В"- дефектов в электрическом поле (см. рис. 19). В этом случае электроны, двигаясь в аморфном слое, совершают обратный переход е + О1' -> О". При этом, как и при фотовозбуждении, может иметь место излучательная дефектная рекомбинация и нерадиационный переход, приводящий к возбуждению иона эрбия благодаря кулоновскому взаимодействию между электроном, захваченным на О0 центр и 4£ электроном иона эрбия (рис. 19).

Этот процесс оже-возбуждение. связанное с дефектом (ОЯАЕ -процесс), эффективен из - за почти резонансного характера: разница в энергии излучательного перехода между состояниями е + О0 и О близка к энергии перехода 41Ку2 - ''[15.2 41" - оболочки нона Ег' . Избыток энергии передается локальным фононам.

На рис. 20 (сплошные линии) представлена зависимость интенсивности эрбиевой люминесценции на длине волны 1.54 мкм от

Al

Er

-Л

n-c-Si

•%3/2

Рис. 19. Схема i ичсскоо представление мелани зма возбуждения чрбия в злектролюминесцешной структуре на основе a-Si:l!' Ег ■ при обратном смешении.

Рис. 20. Экспериментальные температурные зависимости ннгснсивности ~)Л чрСщя на длине волны 1.54 мкм и напряжения на структуре при обратном смещении.

Рис. 21. Теоретические температурные зависимости интенсивности чрбисвой ')Л (/¿) - 1 и напряжения па структуре (I} - 2 в режиме постоянного тока.

температуры при нескольких токах. Максимальная интенсивность эрбиевой люминесценции на длине волны 1.54 мкм наблюдается вблизи комнатной температуры. Ход этой температу рной зависимости объясняется тем. что, согласно предложенной модели возбуждения эрбия, для поддержания постоянной эрбиевой люминесценции необходимо наличие Ои - центров.

Эти центры могут появляться только в результате термостимулированной ионизации Э" центров в электрическом поле. Это должно приводить к падению напряжения на структуре, что и наблюдается

в эксперименте (см. рис. 20 (пунктирные линии). Вероятность термостимулированной ионизации D' центров в электрическом поле зависит от температуры и приложенного электрического поля. В координатах логарифм интенсивности от квадрата поля это должна быть линейная зависимость [3]. которая наблюдается в эксперименте. Можно показать, что в режиме постоянного тока температурная зависимость интенсивности эрбиевой люминесценции будет определятся как [А32]:

где Е, - электрическое поле, приложенное к структуре при токе у, слабо зависит от температуры, q - заряд электрона, /л - подвижность электронов.

Зависимость электрического поля (напряжение на образце) через плотность тока имеет вид;

Е (6)

На рис. 21 приведены рассчитанные по формулам (5) и (6) зависимости I' = E d и IL от температуры. В расчетах мы положили е. - С = 0.2 эВ. V] = 1.5 х 10'" с. Видно, что полученные зависимости находятся в полуколичественном согласии с экспериментальными данными.

Таким образом, установлен механизм возбуждения эрбия при электронном возбуждении. Он контролируется термической активационной ионизацией глубокого D дефекта в электрическом поле, и обратным процессом захвата подвижных носителей заряда D0 состояниями.

В третьей части диссертации приведены результаты исследования структур GaAs/AlGaAs и объемного AlGaAs, легированных эрбием, выращенных молекулярно - лучевой эпитаксией (МЛЭ) [А15,А16,А26]. Образцы предоставлены Г. Хкгровой и Н.М. Gibbs (Оптический центр университета штата Аризона. США). Методика исследования включала в себя масс - спектрометрию вторичных ионов (SIMS), поглощение и фотолюминесценцию как эрбия, гак и линий дефектной люминесценции матрицы в широкой температурной области.

Первая глава этой части посвящена обнаруженной сильной интердиффузии А1 и Ga и диффузии эрбия при введении эрбия в процессе выращивания квантовых ям GaAs/AlGaAs.

На рис. 22 показаны SIMS профили для трех образцов в порядке увеличения концентрации эрбия, вводимого только в область квантовых ям (КЯ). Как видно из рисунка, для структуры Ег20 (эрбий не вводился в КЯ) квантовые ямы четко видны. В структуре Ег21 (МЕг = 9хЮ18 см"3) они сильно размыты, и в структуре Er23 (NEr ~ 2.2х1019 см"3) КЯ полностью размыты, а концентрации эрбия, алюминия и галлия постоянны во всей области структуры. Таким образом, скорость интердиффузии галлия и алюминия и диффузии эрбия прямо зависит от концентрации введенного эрбия.

10'

10

IV

10"

10"

10"

41)11 9 О ни 1 1 : Ga ! : Ga :

mill 1 1

ТШ: : А1 | > | ii hill 1 11, iiiiiij ill H

" Ет20 - Ei21 - E/23 I

lain и 1 I Ег 9x10'W; |Er22xl0"cni

Г NoEr 1 1 г I 1

600 750 600 750 900 600 750 900

Рис. 22. SIMS профили для структур Er20, Er21, и Ег23.

На рис. 23а представлен спектр фотолюминесценции образца Ег26 при температуре 1.8 К в спектральной области эрбиевой люминесценции (1.5 - 1.6 мкм). Это слой объемного GaAs, легированный эрбием в процессе выращивания слоя GaAs. Положение линий эрбиевой ФЛ, соответствует переходу 2 -> 4Ii 5/2 во внутренней 4f- оболочке иона Егь.

ft

0

К

s

1

£

8 я

20

15

10

5

0 1

40 30 20 10

1 ErinQWsGaAs

Т=1.8К

lllj bJ b _

,50

1,52

1,54

1,50 1,52 1,54 1,56 1,58 Дшша волны, мкм

1,56 1,58 1,60

AIGaAs.Er

- T=1.8K

- л лЛ

1,60

Рис. 23. Спектры ФЛ структур (a) Er26, (Ь) Ег21. и (с) (Er29). Т I X К. Ег26 - объемный GaAs, в который эрбий вводился на толщину 8 им при открытой заслонке источника эрбия с интервалами 30 им. Er21 - структура, выращенная при введении эрбия в пронесее роста только в область квантовых ям с нелегированными барьерами AlGaAs. Ег29 - объемный AlGaAs, легированный эрбием.

На рис. 23Ь показан спектр фотолюминесценции образца Ег21. В этом случае эрбий вводился только в область квантовых ям GaAs. Видно, что этот спектр резко отличается от спектра GaAs:Er. но практически полностью совпадает (по числу и положению линий) со спектром образца Ег29 (рис. 23с). когда эрбий вводился в объемный AlGuAs. Этот факт подтверждает предварительные данные SIMS о том, что при введении эрбия в квантовые ямы GaAs во время процесса выращивания происходит интердиффузия галлия и алюминия.

Полученные экспериментальные результаты указывают также на то. что существует взаимодействие между эрбием и алюминием, которое смещает эрбий в области, обогащенные алюминием, и алюминий в легированные эрбием области структуры. Необходимо заметить, что все линии спектра фотолюминесценции AlGaAs:Er (рис. 23с) наблюдались и в структурах GaAs/AlGaAs с небольшой концентрацией эрбия 101' см'3), вводимого в квантовые ямы GaAs. когда по данным SIMS квантовые структуры хорошо сохранились. Спектры поглощения структур, спектры ФЛ которых приведены, подтверждают картину образования Ег-А1 кластеров. Таким образом, полученные результаты указывают на сильное взаимодействие алюминия и эрбия.

Явление взаимодиффузии Ga и AI, приводящее к размытию квантовых ям GaAs/AlGaAs при введении большой концентрации электрически активных примесей (доноров или акцепторов), хорошо известно в технологии выращивания квантовых структур GaAs/AlGaAs и интенсивно изучалось [7]. Как показано в этих работах, введение электрически активных примесей смещает уровень Ферми в системе, что способствует образованию дополнительных катионных вакансий, увеличивающих коэффициент диффузии [7].

Однако ионы эрбия Er34 в кристаллической решетке Аш В4 занимают позиции замещения, т.е. катионные состояния, и ведут себя как изовалентная примесь, не внося дополнительного заряда. Наблюдение сильной диффузии эрбия и взаимодиффузии Ga и AI в нашем случае можно объяснить, если принять во внимание внутреннее напряжение в кристаллической решетке, когда ион эрбия внедряется в положение катиона III группы. Так как радиус иона эрбия значительно больше, чем ионные радиусы галлия и алюминия, введение эрбия приводит к локальной деформации около него, и возникает вклад в упругую энергию полупроводника, легированного эрбием. Эта внутренняя деформация может вызывать образование дополнительных катионных вакансий (по сравнению с равновесными), и их концентрацию можно оценить из соображений о сохранении энергии (см. [8]).

Как показано в [7], коэффициент диффузии катионов в GaAs (или AlGaAs) может быть записан в виде

где / - множитель, принимающий во внимание кристаллическую структуру и вероятность найти вакансию на соседнем узле решетки. D°m -коэффициент диффузии катионов, соответствующий прыжку в соседний

катионный узел, который по порядку величины равен <ясГйхр(-Еь Т)!2 (ю -частота колебаний иона, а постоянная решетки, и Еь - энергетический барьер между двумя соседними катиоиными состояниями). Так как [Уш] пропорциональна Ля, коэффициент диффузии сильно увеличивается в присутствии ионов эрбия. Этот результат относится как к диффузии галлия и алюминия, так и к диффузии ионов эрбия. Оценка коэффициента диффузии эрбия дает значение ПЕг ~ 10'15 см2/с. что очень велико для температуры 900 К.

Что же касается тенденции эрбия окружать себя атомами алюминия, то она, вероятно, связана с их химическим взаимодействием: известно, что существуют несколько интерметаллических соединений эрбия с алюминием. Поэтому можно ожидать образования комплексов из эрбия и алюминия в наших образцах.

Во второй главе третьей части приведены результаты исследования ФЛ в описанных выше структурах.

На рис. 24 приведен типичный спектр фотолюминесценции при Т = 5 К и Т = 40 К одного из образцов А1хСа1.хА$ (х = 0.3), легированного эрбием в процессе выращивания МЛЭ. Как ввдно из этого рисунка, в области 1.5 мкм наблюдается около десятка узких линий эрбиевой люминесценции соответствующих переходу \ъп —> 4115/2 • По температурному гашению можно разделить эти линии на три серии а, Ь, с. Время жизни для линий из серии а - 0.5 мс, а для линий Ь и с - 0.05 мс (рис. 25). Кроме температурной зависимости и времени жизни, различные серии линий эрбиевой люминесценции (а, Ь, с) отличаются также шириной линий

о

в каждой из серий. Ширина линий в сериях Ь и с 15 А, ширина линий в

о

серии а - 7 А .

В нижней части рис. 25 показан спектр образца с меньшей концентрацией введенного эрбия. Видно, что соотношение интенсивностей линий в каждой из этих серий постоянно, и не зависит от концентрации эрбия, введенного в АЮаАя. Таким образом, из данных по температурному гашению, временам жизни, ширинам линий люминесценции и отношению амплитуд в каждой серии, можно предположить , что при введении эрбия в запрещенной зоне АЮаАз образуется 3 группы эрбиевых центров - 3 дефектных уровня, обозначаемых далее Оа, ОЬ и Ос. Из температурной зависимости интенсивности линий следует, что Оа - глубокий, ОЬ н 13с -мелкие уровни. На основании этих данных, а также данных по дефектной люминесценции матрицы АЮаАя. обусловленной введением эрбия,

1,52 1,54 1,56 1,58

Дилина волны, мкм

Рис. 24. Спектр фотолюминесценции образца Ег21 при Т = 5 К (сплошная линия) и "Г - 40 К (пунктир).

1,60

1,50 1,52 1,54 1,56 1,58 Длина волны, мкм

1,60

Рис. 25.СпеюрыФЛ(а)-Ег21 и(Ь)-Ег22. Т = 1.8 К.

предлагается механизм возбуждения. девозбуждения эрбия и температурного гашения эрбиевой ФЛ в АЮаАз.

Известно, что введение Ег в полупроводниковую матрицу' СаАх вызывает появление примесного потенциала. Природа изоэлектронного примесного потенциала, в основном, определяется различием в атомных

п о

К

н о

с=Г е

л н о о к а 5 о X

е

к 3

0,6 0,5 0,4 -0,3 -0,2 -0,1

0,0

6400

6600

Е.Ч - (1.92 эВ) Ос-О-90 эВ) ОЬ-(1.87эВ)

6200

7000

Длина волны, А

Рис. 26. Спектр фотолюминесценции Ег23, демонстрирующий присутствие мелких дефектных состояний в легированной эрбием системе ОаЛзЛЮаЛч. Т - 10 К.

размерах атомов матрицы и примеси. Это приводит к деформации решетки, которая вызывает расщепление вырожденной валентной зоны ваА^. что приводит к появлению потенциала, притягивающего дырки (дырочных ловушек) [9]. Этим объясняется появление мелкого дефектного уровня в ваАБ с энергией связи 35 мэВ при введении эрбия.

Естественно можно ожидать, что подобные дырочные ловушки должны появляться и в АЮаАя при введении эрбия, и их энергии связи не должны сильно отличаться от наблюдаемых в ваАя. В спектре фотолюминесценции АЮаАя при больших уровнях накачки, когда собственная эрбиевая люминесценция стремится к насыщению, также проявляются переходы, связанные с этими ловушками В этом случае появляется узкая экентонная линия Ех =1.92 эВ и две относительно широкие линии с максимумами ОЬ = 1.87 эВ и Ос = 1.90 эВ (см. рис. 26). По аналогии с СаА.? можно предположить, что ионы эрбия в АЮаАз в позиции замещения образуют два мелких дефектных уровня с энергиями связи 20 и 50 мэВ. которые вычисляются, как разница между экситонной линией Ех и дефектной люминесценцией Ос и ОЬ.. При больших концентрациях введенного эрбия появляется так же.как и в ваАя, глубокий

дефектный уровень с энергией связи 400 мэВ. который наблюдается в области 1,1 мкм.

Из полученных нами результатов можно предложить следующую схему возбуждения 4{ - оболочки иона эрбия. Накачивающее излучение генерирует электронно-дырочные пары в области АЮаА5. содержащей эрбий. Дырки быстро захватываются дырочными ловушками Ра , Ш и Вс, наводимыми эрбием в узлах и междоузлиях (см. рис. 27).

АЮаАэ

Рс

Оа

йЬ

Ег3*

0,0

0,5

1,0

1 1,5

р« 2,0

2,5

Эне

ь

с

Рис. 27. Схема энергетических уровней для оже-возбуждения эрбия через дефектные центры Оа. 1>ь, и 0(. Для сравнения энергий дефектного и ('-Г-переходов положительное направление оси для уровней иона эрбия направлено в обратную сторону.

Рекомбинация электрона и дырки, захваченной на ловушке, может быть как излучательной (т.е. проявляться как дефектная люминесценция, которую можно наблюдать при больших накачках), безызлучательной (многофононной) или происходит как оже-процесс с возбуждением 4Г-оболочки иона эрбия (т.е процесс, при котором энергия рекомбинации электрона и дырки, захваченной на ловушку, идет на возбуждение иона эрбия через кулоновское взаимодействие с 4Г - электроном).

Очевидно, что в случае возбуждения эрбия через мелкие ловушки, температурное гашение эрбиевой люминесценции будет контролироваться концентрацией дырок, захваченных ловушками. Эта концентрация будет определяться температурой.Таким образом, температурные зависимости интенсивносгей серий Ь и с эрбиевой люминесценции на длине волны —1.5 мкм должны иметь характерные энергии активации, соответствующие глубинам залегания мелких ловушек Ш> и Бс. Полученные из температурных зависимостей интенсивносгей линий Ь и с эрбиевой ФЛ.

возбуждаемых через мелкие ловушки, данные по энергии активации находятся в хорошем согласии с энергией связи дырок на дефектных уровнях Ос и Е>ь •

Интенсивность линий серии а эрбиевой люминесценции спадает в 50 раз при температуре 200 К. Объяснить такое сильное гашение термическим опустошением глу бокого уровня Оа (с энергией связи дырки ~ 500 мэВ) невозможно. В работе показано, что температурное гашение собственной эрбиевой люминесценции в этом случае обусловлено конкуренцией между оже-возбуждением 4Г- оболочки иона эрбия и многофононным нерадиационным захватом, так как известно, что глубокие локальные состояния характеризуются сильным электрон-фононным взаимодействием.

Для рассмотрения этого процесса удобно ввести конфигурационную диаграмму, приведенную на рис. 28.

Рис. 28. Конфигурационная диаграмма для трех процессов электронного захвата дефектами. Нижняя парабола соответствует адиабатическому потенциалу незаселенного дефекта. Верхняя парабола соответствует системе, образованной дефектом с захваченной дыркой и свободным электроном в зоне проводимости. Пунктирная линия показывает адиабатический потенциал для промежуточного состояния оже-процесса, когда переход в электронной системе уже произошел, а решетка еще не перестроилась. Процесс 1- излучательный захват электрона дефектом.

§

я

Расстояние от равновесия

Процесс 2- многофононный безызлучательный захват. Процесс 3- оже-возбуждение иона эрбия. энергия люминесценции излучательного перехода, бт - энергия термической ионизации, Дб = бт - ег. , б2ь и бзь энергетические барьеры для перестройки адиабатического потенциала в случае многофононного захвата и оже-возбуждения, соответственно.

Процесс 3 можно рассматривать на этой диаграмме как туннельный переход между потенциальными кривыми возбужденного и основного состояний примесного (дефектного) центра, связанного с эрбием.

Вероятность этого процесса в модели двух смещенных парабол определяется выражением:

тр

где °р имеет слабую температурную зависимость,

(1)

<Р =

в , 1 +

~2+Ы—Г~

Тко„

а Па}з р

= егч1г{в / 2} '

здесь Д<£ - разность энергий термического возбуждения и люминесценции ё1 , ЙсУр - энергия локального фонона.

Анализ уравнения (1) показывает, что с увеличением £т -термической энергии, вероятность многофононного процесса уменьшается. Это также наглядно видно из конфигурационной диаграммы. При увеличении расстояния между потенциальными кривыми увеличивается потенциальный барьер для многофононных переходов. Это означает, что с увеличением глубины залегания дефектного уровня температурное гашение эрбиевой люминесценции, связанной с возбуждением через глубокий (Есв > 200 мэВ) дефектный уровень, будет ослабевать. Подтверждение теории мы видим на рис. 30, где представлена температурная зависимость эрбиевой люминесценции для образца А^ваА^.* с х = 0.6. Дефектный уровень, связанный с эрбием, для этого состава находится глубже в запрещенной зоне.

.2 _>_I_■_I___I , I_1_1_

2 4 в 8 10 12

1000Я к'

Рис. 29. Сравнение температурной зависимости интенсивности линии а эрбиевой фотолюминесценции на длине волны 1.54 мкм для образца Ег29 (АЮаАягЕг) (точки) с

теоретически вычисленным отношением ВУЖз вероятности оже-возбуждения и многофононного захвата (сплошная линия).

Рис. 30. Температурная зависимость интенсивности эрбиевой линии 1.54 мкм для /ИхОа^хЛв с х = 0.6.

Температура. К1

Как видно из этого рисунка, интенсивность эрбиевой люминесценции на длине волны 1.54 мкм спадает от азотной температуры до комнатной только в 20 раз. На рис. 31 приведен спектр эрбия в области 1.5 мкм при комнатной температуре. Уменьшение температурного гашения эрбиевой люминесценции в АЮаАя с увеличением ширины запрещенной зоны полупроводника было известно [10]. Однако, до настоящего времени этот факт не находил объяснения.

Рис. 31. Спектр ФЛ .М^Оа,.,.^ с х ~ 0.6 при комнатной температуре.

1.52 1.54 1.56

Длнна волны, ыкм

В Приложении I диссертации приведено вычисление резонансного коэффициента оже-процесса возбуждения эрбия в кристаллическом кремнии. В Приложении II приведено вычисление вероятностей оже-возбуждения и излучательных переходов в матрице аморфного кремния. В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованы механизмы возбуждения, девозбуждения эрбия и температурного гашения эрбиевой люминесценции в кристаллическом кремнии при фотовозбуждении. Показано, что возбуждение происходит через захват свободных экситонов на нейтральный донорный уровень, образованный эрбий - кислородным комплексом, с последующим оже-возбуждением 4Г- оболочки эрбия при рекомбинации связанного экситона. Температурное гашение эрбиевой люминесценции определяется отрывом связанного экситона с донорного эрбиевого комплекса при низких температурах и ионизацией самого донорного центра при высоких температурах.

2. Показано, что механизм возбуждения и температурного гашения электролюминесценции при прямом смещения на р-п переходе такой же, как и в случае фотовозбуждения (экситонный оже- процесс).

3. Построена полная (с учетом температуры) теоретическая модель экситонного оже-возбуждения, позволившая описать все основные экспериментальные результаты.

4. Показано, что при обратном смещении на р - п -переходе механизм возбуждения электролюминесценции определяется оже-

36

процессом рекомбинации электронов из второй подзоны зоны проводимости с дырками валентной зоны. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации, за счет кулоновского взаимодействия передается 41"-электронам иона Ег3\ При этом важным является то обстоятельство, что возбуждение иона эрбия происходит из основного состояния во второе возбужденное, что благоприятно для создания инверсной заселенности метастабильного уровня "'Ьзл . переход с которого в основное состояние 41т5/2 сопровождается излучением на длине волны 1.54 мкм.

5. Установлено, что при температуре 150-170К этот процесс становится резонансным, что позволяет эффективно осуществить треху ровневую схему возбуждения ионов эрбия в обратно смещенных р - п переходах на основе кристаллического кремния вплоть до комнатных температур.

6. Выявлена природа горячей люминесценции в кристаллическом кремнии при обратном смещении. Она обусловлена прямыми разрешенными излучательными переходами из А? - подзоны в Д] -подзону зоны проводимости.

7. Построена модель фотовозбуждения ионов эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии. В основе модели - оже-процесс, при котором электрон из зоны проводимости захватывается дефектом в состоянии 0° с образованием состояния Б" , и за счет кулоновского взаимодействия энергия передается 4[ - оболочке иона эрбия, в которой осуществляется переход "%5/г - Температурное гашение эрбиевой люминесценции в этой матрице обусловлено многофононным процессом захвата носителей, конкурирующим с оже - процессом возбуждения.

8. Показано. что в основе механизма возбуждения электролюминесценции эрбия в аморфном кремнии лежит монополярный процесс захвата электрона из зоны проводимости на О0 центры (нейтральные оборванные связи), сопровождающийся оже-возбуждением ионов эрбия, с последующей обратной термостимулированной туннельной эмиссией электронов в сильном электрическом поле с дефектного уровня Б" в зону проводимости. Построенная теоретическая модель позволила описать зависимости электролюминесценции от температуры и тока.

9. Создана электролюминесцентная структура на основе аморфного гцдрогенизированного кремния, легированного эрбием, излучающая на переходе 4115/2 - %з/; в 4С - оболочке иона эрбия (ж 1.54 мкм) при комнатной температуре.

10. Обнаружено, что введение эрбия молекулярно - лучевой эпитаксией в квантовые ямы АЮаАзЛЗаАэ приводит к сильной диффузии

Ег и взаимодиффузии Оа и А1, в результате которой происходит разрушение квантовых ям. Это явление обусловлено значительно большими размерами эрбиевого иона, по сравнению с ионами Оа и А1. что приводит к повышенной концентрации вакансий и. соответственно, к увеличению коэффициента диффузии.

11. Показано, что введение эрбия в АЮаАв приводит к образованию нескольких типов ловушек захвата для дырок, что связано с различным окружением (положением) эрбия, Механизм возбуждения - оже-рекомбинация электронов с дырками, захваченными на эти ловушки, с передачей энергии 4Г- электронам эрбия за счет кулоновского взаимодействия.

12. Показано, что в АЮаМ возбуждение 41'- оболочки иона эрбия происходит через верхние возбужденные состояния \п и 41ц/;. что делает этот материал перспективным для создания квантовых усилителей и лазеров. Температурное гашение эрбиевой люминесценции, возбуждаемой через мелкие ловушки, обусловлено термическим опустошен нем дефектных уровней. Температурное гашение эрбиевой люминесценции, возбуждаемой через глубокую ловушку, связано с многофононным термостимулированным переходом.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[А1]. Н.А. Соболев, М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, М.И. Маковийчук. Е.О. Паршин, Е.И.Шек. Влияние условий отжига на интенсивность фотолюминесценции в Si:Er. // ФТП. 28. 11, 1995-2000 (1994). [А2]. V.O. Naidenov. N.A. Sobolev, О.В. Alexandrov. M.S. Bresler. O.B. Gusev, G.M. Gusinskii, E.I. Shek, M.I. Makoviichuk, E.O. Parshin. Nuclear methods in technology of Si:Er structures. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 99, 587-589 (1995).

[A3]. N.A. Sobolev, O.V. Alexandrov, M.S. Bresler, O.B. Gusev, E.I. Shek. M.I.Makovichuk and E.O. Parshin. Optical and electrical properties of Si:Er light-emitting structures. // Proc. of the 18th International Conference on Defects in Semiconductors, Japan v.196-201, Part 2: pp. 597-601 (1995). [А4]. M.S. Bresler, O.B. Gusev, V.Kh. Kudoyarova, A.N. Kuznetsov, P.E. Pak. E.I. Terukov. I.N. Yassievich, B.P. Zakharchenya. Room-temperature photoluminescence of erbium-doped amorphous hydrogenated silicon. // Proc. SPIE, v.2706, 260-264 (1996).

[А5]. M.S. Bresler, O.B. Guscv. M.I. Makoviichuk. P.E. Рак. E.O. Parshin. E.I. Shek, N.A. Sobolcv. I.N. Yassievich, B.P. Zakharchenya. Electroluminescence and excitation mechanism of erbium ions in erbium-doped cry stalline silicon. // Proc. SPIE, v. 2706. 272-275 (1995), [А6]. M.S.Bresler, O.B.Gusev. V.Kh. Kudoyarova, A.N. Kuznetsov, P.E. Рак, E.I. Terukov. I.N. Yassievich. B.P. Zakharchenya, W. Fuhs, A. Sturm. Room-temperature photoluminescence of erbium-doped hydrogenated amorphous silicon. // Appl.Phys.Lett. v.67, (24). p.3599- 3601 (1995). [А7]. M.C. Бреслер, О.Б. Гусев, Б.П. Захарченя. В.Х. Кудоярова, А.Н. Кузнецов, Е.И. Теруков. В. Фус, И.Н. Яссиевич. Электролюминесценция кремния в аморфном гидрогенизированном кремнии при комнатной температуре. // ФТТ, 38, 4, 1189-1194 (1996).

[A8J. М.С. Бреслер, О.Б. Гусев. Б.П. Захарченя. И.Н. Яссиевич. Экситонный механизм возбуждения ионов эрбия в кремнии. // ФТТ, 38, 5, 1474-1482 (1996).

[A9J. М.С. Бреслер. О.Б. Гусев, Б.П. Захарченя, П.Е. Пак, Н.А. Соболев, Е.И. Шек. И.Н. Яссиевич, М.И. Маковийчук, Е.О. Паршин. Электролюминесценция кремния, легированного эрбием. // ФТП, 30, 5, 898-905 (1996).

[А10]. I.N. Yassievich, M.S. Bresler. O.B. Gusev, V.Kh. Kudoyarova, A.N. Kuznetsov. E.I. Terukov. B.P. Zakharchenya. W. Fuhs. Photo-and electroluminescence study of erbium-doped amorphous silicon. // Proc. 23th Int.Conf. Phys. Semicond. (Berlin) v.4, pp. 3049-3052 (1996). [All], М.С. Бреслер. О.Б. Гусев. Б.П. Захарченя, М.И. Маковийчук. П.Е. Пак. Е.О. Паршин. Н.А. Соболев, И.Н. Яссиевич. Электролюминесценция и механизм возбуждения ионов эрбия в кристаллическом кремнии. // Тезисы докладов 2-ой Российской конференции по физике полупроводников. Зеленогорск. т.1 стр. 48. (1996).

|А12|. N.A. Sobolev. O.V. Alexandrov. M.S. Bresler. V.V. Emtsev, O.B. Gusev.D.S. Poloskin. E.I. Shek, Defect engineering in Si: Er technology. // Proc. Sy nip. Rare Earth Doped Semiconductors II. US. v. 422. p. 125-130. (1996). {А13]. I.N. Yassievich. O.B. Gusev. M.S. Bresler. W. Fuhs. A.N. Kuznetsov, V.F.Masterov. E.I. Terukov, B.P. Zakharchenya, Photo- and electroluminescence study of excitation mechanism of Er luminescence in a-Si:H(Er). // Proc. Svmp. Rare Earth Doped Semiconductors II. US, v. 422. p. 325-331,(1996)."

[А14]. М.С. Бреслер. О.Б. Гусев. Б.П. Захарченя. В.Х. Кудоярова, А.Н. Кузнецов. Е.И. Теруков, В. Фус. А. Штурм, И.Н. Яссиевич. Фото- и электролюминесценция ионов эрбия в аморфном гидрогенизированном

кремнии. Тезисы докладов 2-ой Российской конференции по физике

полупроводников. // Зеленогорск, т.1. стр. 120, (1996)-

[AIS], M.S. Bresler, B.Y. Вег, O.B. Gusev, V.F. Masterov, E.K. Lindmark .

J.P. Prineas, H.M. Gibbs, and G. Khitrova. Er diffusion and Er-induced Ga-Al

interdiffiision in GaAs/GaAlAs quantum structures. // Abstracts of 19th Int.

Conf. on defects in semiconductors, Portugal, p. 220 (1997).

[A16J. O.B. Gusev, G. Khitrova, E.K. Lindmark, J.P. Prineas. H.M. Gibbs.

M.S. Bresler, I.N. Yassievich, and B.P. Zakharchenya, Er-induced defects and

erbium luminescence in MBE-grown AlGaAs:Er. // Proc. of 19th Int. Conf. of

defects in semiconductors, Portugal, p. 1583-1588 (1997).

[А17]. I.N. Yassievich, M.S. Bresler, O.B. Gusev, and G. Khitrova, Excitation

and de-excitation of erbium ions in semiconducto matrices. // Proc. of 19th Int.

Conf. on defects in semiconductors, Portugal, p. 1593-1600 (1997).

[А18]. I.N. Yassievich, M.S. Bresler, O.B. Gusev. Defect-related Auger

excitation of erbium ions in amorphous silicon. // J.Phys.C., v.9, issue 43. p.

9415-9425 (1997).

[А19]. M.S. Bresler, O.B. Gusev, A.N. Kuznetsov, V.Kh. Kudoyarova, E.I. Terukov, I.N. Yassievich, W. Fuhs, I.Ulber, and G. Weiser. Photoluminescence at 1.54 цш of Er- doped hydrogenated amorphous silicon. // Abstracts of 17th Int. Conf. on Amorphous and Microcrystalline Semicond., Budapest, p. 164 (1997).

[А20]. O.B. Gusev, M.S. Bresler, A.N. Kuznetsov. V.Kh. Kudoyarova. P.E. Pak, E.I. Terukov. I.N. Yassievich. W. Fuhs and G. Weiser. Room-temperature electroluminescence of Er-doped hydrogenated amorphous silicon. II Abstracts on 17th Int. Conf. on Amorphous and Microcry stalline Semicond., Budapest, p. 335 (1997).

[А21]. W. Fuhs, I. Ulber, G. Weiser, M.S. Bresler, O.B. Gusev. A.N. Kuznetsov, V.Kh. Kudoyarova, E.I. Terukov, I.N. Yassievich. Excitation and temperature quenching of Er-induced luminescence in a-Si:H(Er). // Phys. Rev. B, 56, N 15, p. 9545-9551 (1997).

[А22]. O.B. Gusev, E.K. Lindmark, J.P. Prineas, M.S. Bresler, G. Khitrova. H.M. Gibbs, l.N. Yassievich, B.P. Zakharchenya, V.F. Masterov, Er-doped MBE-grown GaAs/AlGaAs structures. // J. Appl. Phys.. v. 82, p. 1815-1823 (1997).

[А23]. O.B. Gusev, A.N. Kuznetsov, E.I. Terukov, M.S. Bresler, V.Kh. Kudoyarova,, I.N. Yassievich. B.P. Zakharchenya, W. Fuhs, Room-temperature electroluminescence of erbium-doped amorphous hydrogenated silicon. // Appl.Phys.Lett. v.70, (2) p. 240-242 (1997).

(A24J. N.A. Sobolev. O.V. Alexandrov. M.S. Bresler. O.B. Guscv. P.E. Khakuashev. Y.A. Kudryavtsev, M.I. Makoviichuk. Y.A.Nikolaev. E.O. Parshin, E.I. Shek. M.A. Trishenkov. A.O. Zakharin. Influence of impurities atoms on luminescence of Er-doped silicon structures. // Proc. SPIE, v. 3002. p. 198-203 (1997).

[А25]. V.Kh. Kudoyarova. E.I. Terukov, A.N. Kuznetsov. M.S. Bresler, O.B.Gusev. Amorphous hydrogenated silicon doped with erbium as material in optoelectronics. // International school on new materials and trends in microelectronics and optoelectronics, p. 74-75 (1997).

[А26]. E.K. Lindmark. J.P. Prineas, G. Khitrova, H.M. Gibbs, O.B. Gusev, B.Ya. Ber. M.S. Bresler. I.N. Yassievich, B.P. Zakharchenya, V.F. Masterov, Er-induced Ga-AI interdiflusion in GaAs/AlGaAs quantum structures. // Proc. SPIE. v. 2996. p. 3-7(1997).

[А27]. V.I. Vdovin, N.A. Sobolev. E.M. Emel'yanov. O.B. Gusev, E.L. Shek and T.G. Yugova, Structural defects and photoluminescence in dislocation-rich erbium-doped silicon. II Proc. of 19th Int. Conf. on defects in semiconductors. Portugal, p. 1521-1526 (1997).

[А28]. О.Б. Гусев, M.C. Бреслер, П.Е. Пак, Н.А. Соболев, И.Н. Яссиевич, Механизмы возбуждения ионов эрбия в кристаллическом кремнии. // Материалы Всероссийского совещания «Наноструктуры на основе кремния и германия». (Н. Новгород) стр. 80-86 (1998).

[А29]. М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, П.Е. Пак. Е.И. Теруков, К.Д. Цендин, И.Н. Яссиевич, Фото- и электролюминесценция аморфного

гидрогенизированного кремния, легированного эрбием. // Материалы Всероссийского совещания «Наноструктуры на основе кремния и германия». (Н. Новгород) стр. 163-167 (1998).

[АЗО]. Е.И. Теруков. О.И. Коньков. В.Х. Кудоярова, О.Б. Гусев, Г. Вайзер, Люминесценция эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии, полученном методом тлеющего разряда. // ФТП. 32, 8. 91-93 (1998). [А31]. I.N. Yassievich, M.S. Bresler, O.B. Gusev. Defect-relatad Auger excitation of erbium ions in amorphous silicon. // Journal of Non-Crystalline Solids. 226. p. 192-199 (1998).

[А32]. O.B. Gusev, M.S. Bresler. A.N. Kuznetsov, V.Kh. Kudoyarova. P. Рак. E.I. Terukov. K. Tsendin. I.N. Yassievich, W. Fuhs. G. Weiser. // Room-temperature electroluminescence of Er-doped hydrogenated amorphous silicon. // Journal of Non-Crystalline Solids, 227-230, p. 1164-1167 (1998). [A33j. M.S. Bresler. O.B. Gusev. P.E.Pak. I.N. Yassievich. B.P. Zakharchenya. //Three-level excitation of erbium ions in crystalline silicon electroluminescent

structures. Abstract of The 24 International conference on the physics of semiconductors. 1 (1998).

[А34]. B.X. Кудоярова, A.H. Кузнецов, Е.И. Теруков, О.Б. Гусев, Ю.А. Кудрявцев, Б.Я. Бер, Г.М. Гусинский. W. Fuhs, G. Weiser, H.Kuehne. Влияние кислорода на интенсивность фотолюминесценции Ег (1.54 мкм) в пленках a-Si:H, легированных эрбием.// Физика и техника полупроводников, 32, 11. 124 - 129 (1998).

[А35]. I.N. Yassievich, M.S. Bresler, О.В. Gusev. Defect-relatad Auger excitation of erbium ions in amorphous silicon. II J. Phys.: Condens. Matter 9. 9415 - 9425 (1997),

Цитируемая литература

1. I.N. Yassievich, L.C. Kimerling. // Semicond. Sci. Technol. 8. 8. 718 (1993).

2. S. Libertino, S. Coffa, G. Franzo. F. Priolo. // J. Appl. Phys. Lett. 70. 1721 (1997).

3. С.Д. Ганичев, И.Н. Яссиевич, В. Претгл. ФТТ. 39, 11, 1905 (1997).

4. М. Cardona , F. Pollak, Phys. Rev. 142, 2, 530 (1966).

5. G. Franzo, S. Coffa, F. Priolo, C. Spinella. // J. Appl. Phys. 81 (6), 2784 (1997).

6. Й. Кочка, M. Ванечек, А. Триска. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Мир. М. (1988). т. 2, С. 247.

7. D.G. Deppe and N. Holonyak.// J. Appl. Phys. 64. R93 (1988).

8. Б.И. Болтакс, Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Издательство Наука, Ленинград, с. 17(1972).

9. J.W. Allen.// J.Phys. С 4.1936 (1971).

10. P.N. Favennec, Н. L. Haridon, M. Salvi, D. Moutonnet. Y. LeGuillon.W Electronics Letters, 25, 718 (1989).

^

Ъ'А то

/ео

лгу

Г ' / РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСЬСИЙ ИНСТИТУТ имени А.Ф. ИОФФЕ

// ¡96

На правах рукописи

УДК 535.376:546.28

мления ВАК Рог г

¿1с

ГУСЕВ ОЛЕГ БОРИСОВИЧ

ФОТО - И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЭРБИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТРИЦАХ (01.04.07- физика твердого тела)

Дис сертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт- Петербург 1998 г.

оглавление

Введение.................................!...........................................................6

ЧАСТЬ I

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЭРБИЯ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ

Глава 1

Фотолюминесценция эрбия в кристаллическом кремнии

1.1. Введение 16

1.2. Введение эрбия в кристаллический кремний. 18

1.3. Экспериментальная установка и методика исследования люминесценции кремния, легированного эрбием 22

1.4. Фотолюминесценция кремния, легированного эрбием методом имплантации 24

1.5. Фотолюминесценция кремния, легированного эрбием методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии 29

1.6. Влияние условий постимплантационного отжига на фотолюминесценцию кремния, легированного эрбием 34

1.7. Заключение 37

Глава 2

Электролюминесценция кремния, легированного эрбием, при прямом

смещении на р - п переходе

2.1. Введение 38

2.2. Методика эксперимента 39

2.3. Экспериментальные результаты 40

2.4. Теоретическая модель возбуждения эрбия с участием экситонов 42

2.5.

2.6.

Обсуждение, результатов Заключение

45 47

Глава 3

Возбуждение и девозбуждение ионов эрбия в кристаллическом кремнии

3.1. Введение 48

3.2. Экситонная модель возбуждения ионов эрбия в кремнии с

учетом температуры 49

3.3. Система уравнений баланса с учетом температуры 52

3.4. Решение уравнений баланса и обсуждение результатов 56

3.5. Возбуждение эрбия при оже-рекомбинации ■ свободных электронов и локализованных дырок 62

3.6. Безызлучательные процессы девозбуждения ионов эрбия в 64 кристаллическом кремнии

3.7. Заключение 68

Глава 4

Электролюминесценция кремния, легированного эрбием, при обратном

смещении на р - п переходе

4.1. Введение 70

4.2. Приготовление светодиодных структур и методика исследования 72

4.3. Экспериментальные результаты 75

4.4. Механизм возбуждения эрбия в кристаллическом кремнии при обратном смещении на р - п переходе 80

4.5. Определение резонансного коэффициента оже-процесса возбуждения эрбия 84

4.6. Заключение

89

ЧАСТЬ II

ФОТО-И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ АМОРФНОГО ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО ЭРБИЕМ

Глава 1

Фотолюминесценция эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии

1.1. Введение 91

1.2. Приготовление пленок a-Si:H<Er> и методика измерений 94

1.3. Экспериментальные результаты 95

1.4. Механизм фотовозбуждения эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии 102

1.5. Заключение 115

Глава 2

Электролюминесценция эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии

2.1. Введение " 117

2.2. Экспериментальные результаты по исследованию электролюминесценции a-Si :Н<Ег> 118

2.3. Механизм возбуждения электролюминесценции эрбия в а-

Si:H<Er> 124

2.4. Теоретическая модель возбуждения эрбия в a-Si:H<Er> 128

2.5. Время жизни эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии 138

2.6. Заключение 140

ЧАСТЬ Ш

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЭРБИЯ В СИСТЕМЕ GaAs/AlGaAs

Глава 1

Введение эрбия в квантовые ямы СаАз/АЮаАз методом молекулярно

лучевой эпитаксии

1.1. Введение 141

1.2. Выращивание структур ОаАз/АЮаАБ, легированных эрбием 142

1.3. Исследование интердиффузии Оа-А1 и диффузии эрбия 146

1.4. Заключение 153

Глава 2 -

Фотолюминесценция системы СаАз/АЮаАБ легированной эрбием

2.1. Фотолюминесценция эрбия в структурах ОаАз/АЮаАБ 155

2.2. Механизм возбуждения и девозбуждения эрбия в АЮаАБ 162

2.3. Анализ экспериментальных результатов 169

2.4. Заключение 172

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Вычисление резонансного коэффициента оже- 174 процесса возбуждения эрбия

ПРИЛОЖЕНИЕ II. Вычисление вероятностей оже-возбуждения и

излучательных переходов в матрице аморфного кремния 181

Общее заключение 193

Список публикаций по теме диссертации 197

Литература 202208

\

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Редкоземельные ионы, внедренные в диэлектрические матрицы, являются традиционным объектом спектроскопии твердого тела. Такие системы послужили основой для создания твердотельных лазеров с оптической накачкой.

В последнее время резко возрос интерес к исследованию полупроводниковых матриц с внедренными в них редкоземельными элементами, так как они являются перспективными материалами . для создания нового класса оптоэлектронных приборов. Наибольший интерес среди редкоземельных элементов представляет эрбий, так как длина волны 1.54 мкм оптического перехода в из первого возбужденного

состояния 1)3/2 в основное А1\5п во внутренней 4£- оболочке редкоземельного иона Ег3+, совпадает с длиной волны, соответствующей минимуму потерь в кварцевых волоконно-оптических линиях связи. На рис. 1 показана спектральная характеристика потерь излучения в кварцевом волоконном световоде. Как видно из рисунка, потери вблизи длины волны 1.55 мкм составляют 0.2 дб/км, что на два порядка меньше, чем в медных линиях связи. Другие преимущества оптических линий связи - это широкая полоса пропускания, малая толщина и вес, неподверженность влиянию электромагнитных полей.

Несмотря на высокий технологический уровень, достигнутый для источников света на межзонных переходах в полупроводниках Аш Ву, эрбий в полупроводниковых матрицах считается хорошей альтернативой из-за узкой (атомоподобной) и температурно-независимой длины волны излучения.

Впервые фотолюминесценция эрбия, введенного методом ионной имплантации в кристаллический кремний, на переходе 41\5И - \ъа внутренней 4{ - оболочки при 77 К наблюдалась в работе [1], электролюминесценция при 77 К в [2], при комнатной температуре в [3,4,5].

Полоса 0,3 Полоса 1, Знкм полоса 1,55пкм

(полая Оигпптсил) (пат, /шггив полге/ги)

5 I" М7/—«--77?-77?-'- 9

0,8 1,0 Г,2 1,6

Длина балмы, нем

Рис. 1. Спектральные характеристики потерь излучения в кварцевом волоконном световоде.

Ег

.3+

20

^ 15 -

1

Е

и п

2 ю

>ч

ст>

I.

ш

с _ ш 5 -

0 -

'11/2

4в

3/2

"8/2

'9/2 '11/2

'13/2

'15/2

е

со

1Л

-0.54

-0.66

Т

-0.80

Л

-0.98 СП с

<0

4)

>

-1.53 О г

Рис. 2. Диаграмма энергетических уровцей иона эрбия Ег3+ в свободном состоянии (слева) и в твердотельной матрице (справа).

Фотолюминесценция эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии фи комнатной температуре впервые наблюдалась в [6,7], лектролюминесценция при комнатной температуре в [8].

Большое внимание было направлено на методы введения эрбия в »азличные полупроводниковые матрицы. Для получения высокой штенсивности эрбиевой люминесценции необходима большая концентрация рбия в матрице. Наилучшие результаты на сегодняшний день получены при ¡ведении эрбия в матрицу кремния методом ионной имплантации. Наряду с ¡ведением эрбия методом ионной имплантации, интенсивно исследуются и фугие методы, такие, как, например, химическое осаждение паров, юлекулярно-лучевая эпитаксия, диффузия. Одновременно проводятся [сследования структурных, электронных и оптических свойств юлупроводниковых матриц, легированных эрбием.

Вместе с тем механизмы возбуждения, девозбуждения и температурного ашения люминесценции ионов эрбия в полупроводниковых матрицах остаются ;лабо изученными. При этом на первый план выступает проблема ¡заимодействия между свободными электронами и дырками полупроводника и шльно локализованными 4£- электронами внутренней оболочки иона эрбия. Значительный шаг в понимании процессов возбуждения 4{- оболочки иона фбия был сделан в классической теоретической работе Яссиевич и Кимерлинга 9]. Они рассмотрели дйа механизма возбуждения эрбия: оже-процесс и ударную ионизацию горячими носителями заряда, и показали, что при наличии юкализованных электронных состояний в запрещенной зоне матрицы, которые догут. быть связаны с дефектами и примесями, обусловленными введением редкоземельных ионов, наиболее эффективным является оже-процесс юзбуждения.

Однако особенности механизма возбуждения, девозбуждения и температурного гашения в сильной степени зависят от материала матрицы, метода введения эрбия, способа возбуждения.

С 1983 года когда Эннен и др. [1] наблюдали люминесценцию эрбия на длине волны 1.54 мкм при низкой температуре в кристаллическом кремнии, много усилий было направлено на изучение фотолюминесцентных и электролюминесцентных свойств других полупроводников, легированных эрбием. Основная задача этих исследований - создание практических оптоэлекгронных структур на базе полупроводниковых матриц. Тот факт, что электрическое возбуждение ионов эрбия на 4 - 6 порядков больше, чем эффективность оптического возбуждения в диэлектрических матрицах [10,11,12], показывает, что дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на полупроводниковых матрицах.

В настоящей работе исследовалась фото-и электролюминесценция эрбия в ряде полупроводниковых матриц, а именно, в кристаллическом кремнии при введении эрбия методом ионной имплантации, аморфном гидрогенизированном кремнии и системе ОаАэ /АЮаАБ.

Интерес к эрбию В кристаллическом кремнии связан с тем, что он является базовым материалом современной микроэлектроники с хорошо отработанной технологией его получения. Кристаллический кремний мог бы быть идеальным материалом для оптоэлектроники, поскольку его можно использовать для интегрируемых оптических цепей. Так как возможность создания волноводов, модуляторов и детекторов в кремнии уже продемонстрирована, одним из основных ограничений применения кремния в оптоэлектронике в настоящее время является получение эффективного, стабильного, совместимого с оптическим волокном источника света.

Аморфный гидрогенизированный кремний привлекает простотой и дешевизной получения оптически активной среды, содержащей эрбий.

Введение эрбия происходит непосредственно в процессе получения аморфного гидрогенизированного кремния методом магнетронного распыления эрбия в атмосфере силана (БЩЦ) и аргона на подложку кристаллического кремния. Еще одним достоинством этой аморфной матрицы является значительно более легкое получение фото-и электролюминесценции при комнатных температурах.

Наконец, интерес к введению эрбия в систему ОаАз/АЮаАз связан с тем, что в случае этого широкозонного полупроводника возможно возбуждение метастабильного уровня эрбия А\\ъп через верхние возбужденные состояния 41ц/2 и 41с>/2 , что делает эту систему перспективной для создания квантовых усилителей и лазеров.

Целью настоящей работы является выявление механизмов фото- и электровозбуждения, девозбуждения и температурного гашения эрбиевой люминесценции в кристаллическом кремнии, аморфном гидрогенизированном кремнии и в структурах на основе ОаАз/АЮаАБ, создание методов контроля технологии введения эрбия в эти полупроводниковые матрицы, разработка и создание новых светоизлучающих структур на длину волны 1.54 мкм. Научная новизна работы заключается в следующем:

- Установлены механизмы электронного возбуждения, девозбуждения ионов эрбия и температурного гашения эрбиевой люминесценции в кристаллическом кремнии как при фотовозбуждении, так и при электровозбуждении (при прямом и обратном смещении на р - п переходе);

- впервые реализована трехуровневая схема возбуждения ионов эрбия в обратно смещенном р - п переходе на основе кремния за счет резонансного оже-возбуждения в процессе рекомбинации электронов из подзоны Аг зоны проводимости с дырками валентной зоны;

- впервые наблюдалась фотолюминесценция эрбия при комнатной температуре, и исследован механизм фотовозбуждения и температурного гашения

фотолюминесценции в аморфном гидрогенизированном кремнии, полученном методом магнетронного распыления;

- впервые наблюдалась и исследовалась электролюминесценция эрбия на длине волны 1.54 мкм при комнатной температуре в структуре на основе аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием; *

- предложена и разработана теоретическая модель оже-возбуждения ионов эрбия, связанная с дефектами в аморфном гидрогенизированном кремнии;

- впервые наблюдалась и исследовалась интердиффузия А1 и ва и диффузия эрбия в системе АЮаАзЛлаАБ при введении эрбия в процессе. молекулярно лучевой эпитаксии;

- впервые исследован механизм возбуждения, девозбуждения и температурного гашения эрбиевой люминесценции на переходе л1\ъп - л1\5п во внутренней 41-оболочке иона эрбия (1.54 мкм) в АЮаАз.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались: на 10-том Международном Феофиловском семинаре (Россия), 1995 г., 18-ой международной конференции по дефектам в полупроводниках (Япония), 1995 г., 2-ой Российской конференции по физике полупроводников (Россия), 1996 г., Весенней конференции общества по исследованию материалов (США), 1996 г., 23-ей международной конференции по физике полупроводников (Германия),

1996 г., 17-ой международной конференции по аморфным и микрокристаллическим полупроводникам (Венгрия), 1997 г., 19-ой международной конференции по дефектам в полупроводниках (Португалия),

1997 г., Международной конференции общества оптической техники (США), 1997 г., Всеросийском совещании "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Нижний Новгород), 1998 г., Европейской весенней конференции общества по исследованию материалов (Франция), 1998 г., 24-ой международной конференции по физике полупроводников (Израиль), 1998 г.

Научные результаты, вошедшие в настоящую диссертацию, опубликованы в 33 печатных работах в ведущих научных журналах как в России, так и за рубежом и в материалах Всесоюзных и Международных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Во всех исследовавшихся в работе полупроводниковых матрицах определяющую роль в процессах возбуждения и девозбуждения 4£- оболочки ионов Ег+3 играют примесные состояния в запрещенной зоне полупроводника, обусловленные введением эрбия.

2. В кристаллическом кремнии при •фотовозбуждении оптически активных ионов эрбия возбуждение происходит через захват свободных экситонов на нейтральный донорный уровень, образованный эрбий-кислородным комплексом, с последующим оже-возбуждением 4£-оболочки эрбия при рекомбинации связанного экситона. Температурное гашение эрбиевой люминесценции определяется отрывом связанного экситона с донорного эрбиевого комплекса при низких температурах и ионизацией самого донорного центра при высоких температурах.

3. При электронном возбуждении в случае прямого смещения на р - п переходе механизм возбуждения эрбия и температурного гашения электролюминесценции в кристаллическом кремнии такой же, как и в случае фотовозбуждения (экситонный).

4. При обратном смещении на р - п переходе механизм возбуждения -оже-процесс рекомбинации электронов из второй подзоны зоны проводимости с дырками в валентной зоне. При температуре 150 - 170 К этот процесс становится резонансным. При этом важным является то обстоятельство, что возбуждение иона эрбия происходит из основного состояния во второе возбужденное, что л благоприятно для создания инверсной заселенности

метастабильного уровня л1\ъп , переход с которого в основное состояние А1\5а сопровождается излучением на длине волны 1.54 мкм.

5. Горячая люминесценции в кристаллическом кремнии при обратном смещении обусловлена прямыми разрешенными излучательными переходами электронов из Д2 - подзоны в А] -подзону зоны проводимости.

6. В основе механизма фотовозбуждения ионов эрбия в аморфном гидрогенизированном кремнии лежит оже-процесс . При этом электрон из зоны проводимости захватывается дефектом в состоянии с образованием состояния О", и за счет кулоновского взаимодействия энергия передается 4{-оболочке иона эрбия, в которой осуществляется переход 4115/2 ->• А1\ж-Температурное гашение эрбиевой люминесценции в этой матрице обусловлено многофононным процессом захвата носителей, конкурирующим с оже-процессом возбуждения. , у

7. На основе аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием, возможно создание эффективной электролюминесцентной структуры, излучающей на переходе 41н/2 —> 4115/2 в 4{ - оболочке иона эрбия (« 1.54 мкм) при комнатной температуре. В основе механизма возбуждения электролюминесценции лежит монополярный процесс - захват электронов на Б0 центры, сопровождающийся оже-возбуждением ионов эрбия, с последующей обратной термостимулированной туннельной эмиссией электронов в сильном электрическом поле с уровня V' в зону проводимости.

8. Введение эрбия молекулярно-лучевой эпитаксией в квантовые ямы АЮаАз/ОаАз приводит к сильной диффузии Ег и взаимодиффузии ва и А1, в результате которой происходит разрушение квантовых ям. Это явление обусловлено значительно большими размерами иона эрбия по сравнению с ионами Оа и А1, что приводит к повышенной концентрации вакансий и, соответственно, к увеличению коэффициента диффузии.

11 'г-:

9. В АЮаАа возбуждение 41- оболочки иона эрбия происходит через верхние возбужденные состояния 19/2 и 112/2 ,