Фотолюминесценция легированных кристаллов антимонида индия и двойных гетероструктур CaSb - IcAs - GaSb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

На правах рукописи

КУРЕНКЕЕВ ■ Бердалы Турдалы-улы

УДК 621.335.59?

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЖИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ АНТИМОНИДА ИНДИЯ И ДВОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР СаБЬ - 1г.Аз - Оа£Ь

( 01.04.10 - физика полупроводников и. диэлектриков )

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук '

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994 •■'••.'

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Я.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-мэтематичесгих наук,

профессор А.А.Рсгачев.

Официальные, оппоненты: доктор физике—математических наук доктор физико-математических наук

Ведущая организация: Санкт-Петербургский технический университет.

Защита состоится " ■ ссе:^ 1994 г. в _часов

на заседании специализированного соьета К СОЗ.23.01 в Физико-техническом институте иу.А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться б научной библиотеке ФТИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печать», просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан " ¿1 уЧ--1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 003.23.01, кандидат физико-математических наук Г.С.Куликов

А.Н.Пихтин, А.С.Болкое.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теш. Соединения являются одним из основных материалов, применяемых в полупроводниковой электронике. Особенны!' интерес представляет изучение огтичесгах свойств увкозонных полупроводников с точки зрения использования их в оптсэлек-гронных приборах ( приемники излучения, светоизлучающие диода, полупроводниковые лазоры и т.п.) для инфракрасной области спектра.

Особое место в ряду полупроводниковых соединений зани-

мает антиыонад индия, поскольку он является модельным полупроводником. Именно на нем зроверялисъ основные теории, создаваемые для кристаллов ( в частности, теория Кейка ). Интерес к нему вызван не только особенностями его зонной структуры ( узкая. запрещенная зона, малая эффективная масса электронов, высокая иодзийность носителей ), по и сравнителоко простой технологией изготовления монокристаллов в очень большой интервале концентраций : к - Ю12 * 1С19 см"3, р - Ю11 1020 см"3).

Исследования рекомбкнационного излучения дают возможность получать данные с генной структуре полупроводника, механизмах рекомбинации и т.п. В то ке вре«я данных о фотолюминесценции ле-гироьанкых кристаллов ахтимонида индия немного, что обусловлено очень слабой интенсивностью рекембикационного излучения. В час-.т-ности. 8 литературе имеются данные о фотол'омичесценц:^! при температуре жидкого гелия только до п = 2.5-10*'' си'^.

В последние годы интенсивно исследуются гетероструктурь; с квантоворазмерными слоями, в которых проявляется целый ряд новых явлений, связанных с квантовыми свойствами электронов и дырок. Эти исследования представляют особый интерес для выяснения возможностей создания лазеров, работающих в ИК--диапазоне 2 •.■ Ь мкм, который важен для спектроскопии смесей газов, локации в атмосферных окнах прозрачности и волоконной связч. Б полупрозодни-' ках системы А°В" для этой цели мог>т быгъ попользованы гете^по-реходц 1пАз - СаЗЬ ( мококристамш ) к гетеропереходы в системе твердых растворов ХпАзСаБЬ. Эти гетеропереходы II типа могут быть применены для создания неин&екциоьиых, лазеров, глубина

каантсвых колодцев при этом находится в пределах 0.1 - С. 5 эВ, достаточных для лазеров, работающих при комнатами температуре.

Цель работы. 1.Исс -.едование спектроь фотолюминесценции кристаллов антимонида индия п- и р-тип», легированных различными примесями.

2. Исследование фотолюминесценции сильно легированных кристаллов антимонида икдия п-типа при Т - 77 К и I - 4.2 К.

3. Исследование фотолюминесценции двойных гетероструктур II типа СаБЬ - 1пАз - ваБЬ с различными толщинами слоев 1пА& и возможности создания лазеров на их основе.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы следующие экспериментальные методы: фоте- и электро--лшинесцентные измерения, холловские измерения и расчетные методы.

Научная новизна.

1. Впервые исследованы спектры фотолюминесценции кристаллов антимонида индия, легированных комбинациями примесей ( 2п+Сг, Сг+Мп и др.).

2. Впервые получены и исследованы спектры фотолюминесценции Кристаллов антимонида индия, легированных Те и Бе до п -

см*3 при Т = 4.2 К и до п « 1 -Ю1^ см-3 при Т ~ 77 К.

3. Впервые получены спектры фотолюминесценции двойных гете-роструктур баЭЬ - 1пАэ - СаБЬ с толщиной слоя 1пАз от 10 А до 50 А.

4. Показана возможность создания полупроводниковых лазерез на основе двойных гетеропереходов СаБЪ - 1пАз - ваБЬ, работающих при комнатной температуре.

На защиту выносятся следующие научные положения.

I. Максимумы спектров фотолюминесценции сильно легированных кристаллов п-1пБЬ при температуре жидкого гелия лежат в более коротковолновой области чем при температуре жидкого азота. Излучение в области максимума определяется рекомбинацией электронов, находящихся на урозне Ферми, с дырками в вершине валентной зоны. Отличие спектров люминесценции прм I - 4.2 К от спектров при Т-77 К объясняется захватом ль'рок в потенциальные янь; в аераих?

валентной зоны, образованных из-за флуктуации концентрации доноров .

2. Начичие второй линии излученм в спектрах фотолюминесценции кристаллов n-InSb, легированных Se, при Т = 4.2 К обусловлено участием з процессе рекомбинации примесной зоны селена, отщепленной от дна зоны проводимости.

3. Фотолюминесценция в дьсйной гетерострухтуре II типа GaSb -InAs - GaSb определяется переходами со дна подзоны размерного квантования квазидвуцерных электронов, образованного в слое 1пАз, на вершину валентной зоны GaSb.

4. Положение уровня размерного квантования зависит от толщины слоя InAs, и с достаточной точностью описывается двухзонной моделью Кейна. При этом слой InAs аппроксимируется прямоугольной потенциальной ямой. Для тонких слоев InAs ( d < 10 А ) можно воспользоваться приближением 5-функции.

Преетическая значимость.

1. Основные результаты работы показывают принципиальную возможность создания лазеров на основе двойных гетерострухтур II типа GaSb - InAs - GaSb, работающих при комнатной температуре в области длин волн 2 т 5 мкм.

Апробация результатов работы. Результаты работы дскладыЕа-лись на семинарах ФТИ им. А.Ф.Иоффе и на Международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology" (г.Санкт-Петербург, 13 - 1В июня 1993 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 1 • печатная работа, данные о которой приведены а конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глэе, основных результатов работы и списка литературы из 93 наименований. Объем работы - 101 страница, включая 31 рисунок.

- 6 " СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель работы, научная ьовизна и практическая значимость работы. Приведены основные положения., выносише на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Первый параграф этой

главы посвящен исследованию легированных кристаллов антимонида индия различными методами. Обсуждаются особенности зонной структуры, а также влияние сорта примеси и степени легирования на различные свойства данного соединения. Экспериментальные исследования фотоэлектрических, оптических и других свойств антимони-да индия позволили определить положения энергетических урозней примесных состояний в запрещенной зоне, а также резонансных состояний, связанных с дополнительными минимумами зоны проводимости. Систематизируются результаты экспериментальных данных различных авторов. Обсуждаются особенности спектра иэлучательной рекомбинации антимонида индия. Рассматривается влияние сорта и концентрации примесей на спектры фотолюминесценции ( ФЛ ).

Во втором параграфе рассматриваются оптические свойства квантоворазмерных структур ( КРС ) на основе соединений А3В5. Приведены характеристики гетеропереходов I и II типов. Анализ поведения электрона в поле периодически изменяющегося потенциала позволяет установить, что функция плотности состояний носителей в каждой зоне носит ступенчатый характер /1/. Благодаря такому распределению носителей, ширина линии излучения спектра фотолюминесценции сверхрешоток оказываются в 2 - 3 раза меньше, чем у объемного кристалла.

Наиболее перспективной областью применения КРС является создание полупроводниковых лазеров, в активной области которых используются сверхрешетки. Лазеры с многослойной КРС обладают высокой характеристической температурой. Зто объясняется слабой зависимостью энергетического распределения носителей от температуры, при наличии ступенчатой функции плотности состояний /2/.

На основе гетеропереходов II типа могут быть созданы неин-жекцьонные светоизлучающие приборы. Рассматриваются принцип работы некнжекциенных лазеров к их достоинства.

Вторая глава посвящена методике эксперимента. Описываются схема экспериментальной установки для исследования ФЛ при различных температурах, а также методика отбора и подготовки образцов для исследования. Приведены характеристики исследованных образцов аятнмокида явдяя.

Третья глава посвящена исследованию ФЛ кристаллов антимони-да индия. Спектры ФЛ келегирозанного кристалла при темаературе 4.2 К к ?? К состоят иг одной л::ш:п с максимумами, соответственно, 235 мэВ к 232 мэВ. Обычно эта линия связывается v рекомбинацией зона-зона. Введение небольшого количества примесей приводит к существенному изменению спектров ФЛ. В спектре образца, легированного Мп до концентрации носителей р=4.1'1012 см~3, при температуре жидкого гелия, помимо основной линии с максимумом 235 моБ, появляются две линии с энергиями 230.5 мэВ к 227 мэВ. Причем интенсивность низкоэнергетичной линии существенно превышает интенсивность основной линии._При дальнейшем увеличения степени легирования ( р=1.8'10^ см"'' ) спектр состоит из одной интенсионой • линии с мрчекмумоы при энергии 231 мэВ, и слзбо выракенной линии в районе 235 г 236 мэВ. При легировании комбинацией примесей Мл и Сг, при концентрации электронов п-ЗЛ'Ю** см-3, спектр состоит из одной линии с максимумом 227 мэВ { Т=4.2 К ).

Гиектр образца, легированного германием, с концентрацией дырок р=3'10^ см"°, при Т-4.2 К, так же состоит из одной угкой линии с максимумом 227 мэВ, полуширина которой всего 2 мьВ. Спектр этого образца при 77 К анеет i-.вд одной широкой полосы, с максиауыса 230 иэВ. При этом в коротковолновом крыле спектра вы-, делаются два плеча ( 234 мэВ и 243 мэВ ) ц линия со слабые максимумом в районе 247 мэВ.

Спектры ФЛ криоталлог адтимонида индия, легированного Zn и Ge при Т » 77 К,миэмт сложную структуру. Вн& зависчмост. от концентрации в пределах от 8.9'iO^ до 1.4' 10*3 см-3 обнаруживаются линии излучения с энергиями 231, 234, 23С: и 240 мэВ.

В спектре ФЛ образца антимонита индкя, пегиреванього ог.ом, при концентрации см"3 присутствует только одге лини»,

относительно узкая, с максимумом 233 мэБ при 1=77 К.

Экспериментальные данные могут быть объяснены теоретическими

расчетами спектров ФЛ, с помощью формул, приведенных в работах /3,4/. Пройеденные расчеты подтверждают, что спектры ФЛ не легированных кристаллов антимонида индия обусловлены прямой рекомбинацией зона-зона. Расчеты, выполненные для переходов зона-примесный уровень, позволяют определить энергетические положения примесных уровней. В частности, нами определены уровни Се - £.5 и 5 мэВ, уровень Мп - 5 мэЕ.

В этой же главе приведены результаты исследования спектров ФЛ сильно легированных кристаллов антимонида индия. Концентрации носителей в исследованных образцах, легированных Те и £е, доходили до п=1019 см-3 при Т"77 К и п=1018 см-3 при Т=4.2 К. Спектры ФЛ сильно легированных кристаллов 1пЗЬ представляют собой одну, относительно широкую полосу, максимум которой смещается в сторону коротких волн с увеличением степени легирования. Интегральная интенсивность излучения падает с ростом концентрации электронов.

В сильно легированных полупроводниках состояние электрона определяется полем, создаваемым всеми примесями и носителями. Такое многочастичное взаимодействие приводит к размытию примесного уровня и появлению заметных "хвостов" плотности состояний в запрещенной зоне /5/. Излучение в области максимума спектра определяется рекомбинацией электронов вблизи уровня Ферми и дырок в вершине валентной зоны, т.е. имеют место непрямые переходы. Для расчета спектра Фл воспользовались формулой из работы /6/, в которой учитывается непараболичность зоны проводимости и пренебрегается вклад легких дырок. При расчете учитывалось уменьшение запрещенной зоны при сильном легировании /5,7/. В сильно легированных кристаллах происходит также эффективное уменьшение энергии Ферми из-за электрон-электронного электрон-примесного взаимодействия /8,9/. Учет этих эффектов при расчетах спектров сильно легированных кристаллов приводит к хорошему совпадению теории с экспериментом.

В четвертой главе приведены результаты исследования ФЛ двойных гетероструктур СаБЬ - 1&Аз - СаБЬ. Исследованные образцы представляли собой двойные гетероструктуры II типа, выращенные методом ыолекулярно-пучковой эпитаксик. Образцы изготовлялись в зиле сверхрешеток, имеющих по 10 тонких слоев 1пАз: заключенных

- 9 -

а

меа,яу слоями СаЗЬ шириной 100 А. Толщина слоев 1пАя изменялась от образца к образцу в пределах 10 ~ 35 А. Слой 1пАз играет роль квантовой ямы для электронов, параметрами которой можно управлять, меняя толщину слоя.

Спектры фЛ исследованных структур, снятые с поверхности образцов (с плоскости параллельной слоям), представляют собой одиночные линии излучения. При толщине слоя 1пАз 10 А. максимумы спектров при Т-4.2 К находятся в пределах 600 -»• 680 мэВ и полуширина линии составляет около 25 мэВ. При температуре 77 К максимумы излучения, снятые с тех же точек образца, сдвигаются а сторону больших энергий примерно на 10 мэВ и наблюдается некоторое ушрение линий. А при комнатной температуре сдвиг происходит в сторону меньших энергий на 30 - 40 мэВ, полуширина линий достигает 60 мэВ.

При толщине слоя 15 А максимумы линий излучения, снятые с разных точек поверхности образца, лежат в пределах 410 - 500 мэВ. При этом заметного сдвига максимума излучения с изменением температуры не наблюдается. Максимумы спектров у образцов с шириной ямы 20 А находятся в пределах 290 - 330 мэВ, а у образца с шириной ямы 30 А - в пределах 250 - 300 мэВ. Наибольшая интенсивность люминесценции наблюдается, в области длин волн 2.0 - 2.5

о

мкм, при толщине слоя 1пАз 10 - 15 А. С увеличением толщины слоя 1пАз и, соответственно, длины волны максимума излучения интенсивность падает примерно в 10 - 20 раз в области длин волн 5 шш.

Спектры ФЛ, снятые с торца (т.э. с плоскости перпендикулярной слоям), имеют по две линий излучений, одна из которых имела максимум на уровне 780 мэВ и связана с излучательной рекомбинацией в слоях ваЗЬ. Другая линия соответствовала линиям излучения, снятым с поверхности образца.

Для определения положения уровня размерного квантования .двойную гетероструктуру моано рассматривать как аналог прямоугольной потенциальной ямы, в которой локализуются носители. При этом необходимо учесть, что дно зоны проводимости 1пАз лежит нияе потолка валентной зоны ваБЬ, Это приводит к необходимости ушты-вать межзонное взаимодействие в СэБЬ. Простейший способ учета такого взаимодействия - применение двухзонной модели Кейна /10/.

- 10 -

Уравнения движения частицы в этой модели имеют вид: (£ -A- IM f (г) + ihS^v) *(?) « О

(£ +Д- иг)/ (?) + ihS(<M f(r) т О

где £ - энергия частицы, д - половина ширины запрещенной зоны, S - параметр, аналогичный скорости света в уравнении Дирака. В этой модели считается, что масса электрона равна массе легкой дырки, тяжелая, дырка не учитывается, а эффективная масса электрона ( дырки ) выражается через параметры ш »a/(2S7). у> (г) и у. (г) - двухкомпоиентные спиноры. В первом приближении потенциальную заменяем 8-образной функцией: Uj- VjS(z), U2=> V?5(z). Принимаем атомную систему единиц h « е » 1.

Разложим функции У(г) и /(г) в интегралы Фурье:

f(r) - g-Д ^ , }{т) - elk,/(k) .

Подставляя последние выражения в уравнения ( 1 ) и умножая обч части этих уравнений на exp(-ikr), проинтегрируем по всему объему. При этом члены, содержащие S(z), преобразуются следующим образом:

VjJd'r e"iK>(2) ¿^fti) = ^jyck^.kjdk - vtct(k;> ,

V2idV Л<2) et?7-(k) - Wk;) ,

где k^- проекция волнового вектора на плоскость слоев гетеро-структуры. После несложных преобразований получим уравнения для Фурье-образов .

(£ -д) f(k) - V,Ct- S(6"k)/<k) - О

<£ + д}/(Й) vzc£- S(e?k)/>(i<) =0

Приравнивая определитель этой системы к нулю, получаем дисперсионное уравнение для £(к):

V,V2 (£+A)Vt+ (А-£) V,

23 у'лг*$<к*-ег

- 11 -

_ I---

Б частном случае, при к = О, сведя обозначение у 1 решения чолучим и следующем виде:

23 V,

- —— ; >.г =

♦ ^ —_ • ---— • ( 4 )

2Э

)1ян"ой решение обладает следующими своЯстбамм:

1, Еои У^ 0, з у'£< 0, т.е. имеем гетеропереход 1 типа, то как й "дырочной", так я з "электронной" яме существует свой уровень плпиориого кмчтовани. При этом из ( 4 ) следует, что по.чеже-•!"<? не зависит от ьеличшш упругого потенциала.

2. Если и У2 имеют одинакозые знаки, то уровень будет лишь од2ш, причем его положение зависит от величины У^ ( или ,

Потенциал нулевого радиуса, хотя определяет положение уровня при к ■ 0, но не дает правильной зависимости £ (к). Для получения более реального закона дисперсии, вместо 5-образного потенциала рассмотрим яму конечной ширины:

Г 0, при |з|>а

15(г) и

I -V, при |2|<а . При этом дисперсионное уравнение имеет вид:

21с(кг( )(Д+ £-V )ооэ(2к2а)з1п(2кга) ■ • [к'( Д + £ -V )г- к\ (Д + £ )2- (к,2 , __ ^ " '

где к,- , _

Уравнение ( о ) позволяет установить пределу применимости о-образного потенциала для системы СаЯЬ - 1пАз - ваЗЬ. Положение дна нилней подзоны размерного квантования хорошо описывается о-образным1-потенциалом. В достаточно широкой яме существуют я другие подзоны.

Исследованные зависимости положения дна подзоны от ширину ямы хорошо согласуются с экспериментальными данными.

В общем заключении к работе сформулированы основные результа-

ты, сделанные в диссертации на основе проведенных исследований:

I. Исследованы спектр« фотолюминесценции кристаллов эигкмо-нида индия,/легированных различными примесями и комбинациями примесей. Определены энергетические положения ряда примесных уроь-

ней d антимониде индия: уровни Ge - Ец « 2.5 и Е^ м 5 мэВ, уровень Мп - Е^ - 5 иэВ.

2. Поведение спектров фотолюминесценции сильно легированных кристаллов антимонида индия n-типа хорошо объясняется при учете сужения запрещенной зоны и эффективного уменьшения энергии Ферми от степени легирования.

3. При температуре жидкого гелия в вершине валентной зоны сильно легированных кристаллов антимонида индия возникает потенциальные ямы для дырок, образованных из-за флуктуации концентрат циц доноров, вследствие чего максимумы спектров фотолюминесценции при Т » 4.2 К лежат в более коротковолновой области, чем при Т»77К.

4. Обнарувено, что при Т = 4.2 К примесные уровни Se и S в сильно легированных кристаллах антимонида индия отщепляются от дна зоны проводимости и образуют примесную зону.

5. Впервые исследовалась фотолюминесценция двойных квантово-размерных гетероструктур II типа GaSb - InAs - GaSb с толщинами слоев InAs от 10 А до 30 А. Фотолюминесценция в таких структурах определяется переходами со дна подзоны размерного квантования квазидЕумерных электронов, образованного в слое InAs, на вершину валентной зоны GaSb.

8. Положение уровня размерного квантования в зависимости от толщины слоя InAs с достаточной точностью описывается двухэонной. моделью Кейна. Слой InAs аппроксимиру я прямоугольной потенциальной ямой. Для тонких слоев InAs ( с/ с 10 А ) моано воспользоваться приближением 5-функции.

7. Гетеропереходы II типа GaSb - InAs - GaSb могут быть применены для создания неинжекционных лазеров, работающих в ИК-диа-паэоне 2 ± 5 мкы.

Основное содержание диссертации изложено в следующей работе: 1. A.S.Filipchenko, S.V.Ivanov, P.S.Kop'ey, B.T.Kurenkeev, N.N.Lebedev, B.Ya.Meltser, A.M.Monakhov, A.A.Rogachev. Non-injecticn Laser Diodes on the Вазе of the Second Type Hete-rojunctions, Inter.SyiaposiUM ."Nanostructures: Physics and Technology", Abstracts of Invited Lectures and Contributed P&pers, p.44-^46, St.Petersburg, Russia, June 13-18, 1993.

- 13 -

Список цитируемо!! литературы.

1.Bastard G., Superlattice bard structure in the envelope -function approximation, Phys.Rev.3, 24, №10, 5693, 1981. Dutta N.K., Electron. Lett., 16, 45), 1982.; J. Appl. Phys.. 53, 721Í, 1«82.

3.Moor«diar. A.. Far. K.Y., Recoabination ¡Radialюг iron InSb,

Рпуз. Rey., V. 148, p.&73-3G5, Ii£S. •i. P.M. Eagles, J. Phys. Chem. Solids. 16, 76, 1960. З.Л.™. "oeík'ck, Б.В.Осипов. Успехи физических наук, T.13S, ЕЫП.З, 427-477, 1S81.

6.А.Джонсон. Поглощение вблизи края фундаментальной полосы. Е сб.: Оптические свойства полупроводников, йосква, "Мир", 163-Í80, 1970.

7.В.Л.Вонч-Бруэвич, Р.Розман. К теории поглощения света в сильно легированных полупроводниках, т.6, №9, 2535-2537,

* А/% А

V. Ii , Л ооч.

8.3.Л.Вонч-Бруевич, Вопросы электронйоч теор::и сильно

легированных полупроводников, ВИНИТИ. М., 1935 ö.A.S.Filipchenkc ana A.NauriSDaev, Phys.Stat .Sol. (a) 37, Кi39, 1978.

10.Г.Л.Вир, Г.Е.Гшкус. Симметрия и деформационные эффекты е полупроводниках. Москва, "Наука", 1972.

РТЛ ПИЯФ» зак. 172, тир.100, уч.-изд.л.а,6;21/13-ГЭ34Т'.

Бесплатно