Исследование метастабильных состояний в эпитаксиальном n-GaAs по краевой люминесценции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Шофман, Вадим Григорьевич АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ
1992 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.10 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Исследование метастабильных состояний в эпитаксиальном n-GaAs по краевой люминесценции»
 
Автореферат диссертации на тему "Исследование метастабильных состояний в эпитаксиальном n-GaAs по краевой люминесценции"

\

I

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ км. А.Ф.ИС2ФЕ

На правах рукописи УДК 621.315.592

ШОФМАН Вадим Григорьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАСТАсИЛЬНЫК СОСТОЯНИЙ В ЭПИТАКСИАЛЬНОМ П-СаАэ ПО КРАЕВОЙ ШЖНЕСЦЕНЦИИ

(01.04.10 - физика полупроводников)

АВТОРЕФЕРАТ . диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург К 92

Работа выполнена гз Ордена Ленина Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель - член-корреспондент РАН,

профессор А.А.Каплянский.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор В.В.Царенков,

доктор физико-математических наук профессор Б.З.Новиков.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Технический

университет.

Защита диссертации состоится "23" СШДелД 1992 г. в "¿0" часов на заседании специализированного совета К 003.23.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194223, Санкт-Петербург, Политехническая

ул., д. 26. ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан "23" иШ/гТй. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 003.2Я.С2

кандидат физико-математических наук С.И.Бахолдин.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Основной фактор, определяющий люминесцентные, фотоэлектрические и др. свойства полупроводников и приборов "на их основе, - это кинетика фотовозбужденных носителей. При межзонном оптическом возбуждении (Ьчй>Ед, где.Ед - ширина запрещенной зоны) рождаются свободные электроны (е) и дырки (Ь). Они могут ре-комбинировать либо непосредственно, либо образуя экситоны и эк-ситонные комплексы, которые затем аннигилируют. Возможна рекомбинация с участием водородоподобных и глубоких дефектов. Обычно в прямозонных материалах рекомбинация носителей заряда противоположного знака идет за времена от наносекунд до микросекунд.

В ряде случаев рекомбинация захваченного на примесный уровень носителя с носителем противоположного знака может быть по тем или иным причинам затруднена. Примесный уровень такого типа называют метастабильным состоянием. Время жизни носителя, локализованного на нем, может стать очень большим (от >> 10 с), поэтому среди множества примесных состояний в реальном полупроводниковом кристалле.долгоживущие или метэстабклькые состояния занимяют особое место. Проблемы долгоживущих состояний, их микроскопической природа, внутренней структуры, их проявления в различных эффектах представляют большой интерес для физики полупроводников. Во многих случаях остаются неясными причины метастабильности и механизмы ее влияния на свойства материала.

Таким образом, исследование метастабильных состояний имеет важное значение как для фундаментальной науки, так и для полупроводниковой техники.

Выбор объектов исследования.

В настоящей диссертации исследуется арсенид галлия. Этот материал является хорошим модельным объектом в физике твердого тела и, с другой стороны, очень широко распространен в полупроводниковом приборостроении.

В данной работе изучаются долгоживущие состояния в чистых, (%<!(-' см") намеренно не легированных эпитаксиальннх слоях ар-сенида галлия п-типа. Сравнительно небольшая концентрация приме-

сей, свойственная нашим экспериментальным образцам, позволяет ме-тастабильным состоянием проявиться наиболее отчетливо.

Цель работы.

Исследование различных типов метастабильных состояний в чистых эпитаксиальных слоях п-СаАБ .

Выяснение механизмов влияния долгоживущих состояний на люминесцентные и другие свойства СаАэ. Измерение параметров метастабильных акцепторов в ваАз .

Научная новизна.

- В арсениде галлия, подвергнутом предварительному облучению межзонным светом, обнаружен эффект возгорания краевой люминесценции под действием света с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны.

- Для объяснения результатов предложена модель, из которой следует решающая роль глубоких дырочных ловушек (Е0«Ю.4 эВ) в компенсации чистого п-СаАв.

- Сделан вывод о наличии нескольких типов метастабильных состояний в чистых эпитаксиальных слоях СаАз:

A. Фотоионизуемые уровни прилипания дырок двух типов, отличающиеся оптической глубиной запегания (0.12 и 0.4 эВ), а также величиной сечений фотоионизации и захвата носителей обоих знакоь;

B. не ионизуемые светом состояния, захватывающие две (или более) дырки и распадающиеся спонтанно через оже-процесс.

- Показано, что время жизни дырок на метастабильных ловушках резко уменьшается при разогреве электронов электрическим полем.

- Сделан вывод о том, что образец эпитаксиального п-СаАэ (Нв< <10 см5), содержащий долгоживущие дырочнные ловушки, может при низких температурах - вплоть до гелиевых - находиться в метаста-бильном состоянии, которое характеризуется,с одной стороны наличием дырок, связанных на долгоживущих состояниях, а с другой -присутствием свободных электронов в зоне проводимости.

- В связи с последним выводом предложена модель, которая включает примесные электронные уровни в эпитаксиальном п-СаАэ , лежащие выше потолка запрещенной зоны (резона' оные с зоной гтоово-

димости).

- Разработана и применена методика количественной оценки некоторых параметров метастабильных состояний: сечения фотоионизации, оптической энергии ионизации, концентрации и др.

Практическая значимость.

Разработанная методика может использоваться для характериза-ции эпитаксиального ¡ИЗаАз, в частности, - параметров глубоких центров, захватывающих неосновные носители. Обладая такими свойствами как бесконтактность,. локальность, возможность измерения нескольких параметров, данная методика дополняет традиционные ' методы исследования полупроводников.

Показана возможность использования материала с метастабильны-ми ловушками для визуализации инфракрасного света.

Исследованные метастабильные состояния в чистом арсениде галлия могут существенно влиять "на временные и фотоэлектрические свойства приборов на его основе.

Положения, выносимыме на защиту. ■

'. В арсениде галлия, подвергнутом предварительному возбуждению межзонным светом >Ед, обнаружен эффект стимулированной подзонным (Ьч, <Ед) светом краевой люминесценции, наблюдаемый при освещении образца светом И,<Ед.

2. Показано, что возгорание краевой люминесценции в п-СаАэ вызвано фотоионизацией метастабильных'состояний - ловушек, захвативших неосновные носители - дырки.

3. Определены параметры дырочных ловушек в эпитаксиальных слоях п-йаАз: время жизни V захваченных на них дырок - от 200-300 мкс до более 10 мс в зависимости от типа ловушки, оптическая энергия ионизации Е0 от 0.' до 0.4 эВ, сечение фотоионизации ) для нескольких значений энергии кванта света в интервале Ь>)| от 0.1 до 1.3 эВ - от менее 10 до 7-10 см1.

4. Построена модель процессов перезаряда ловушек с оптической энергией ионизации Ео^О^ эВ, включающая интенсивный обратный захват на них неосновных носителей (дырок).

5. Показано, чти дырочные ловушки, всегда присутствующие в чистом эпитаксиальном арсениде галлия п-типа, как правило, опре-

деляют его компенсацию и время жизни неосновных носителей при низких температурах (Т<80 К).

6. Обнаружено значительное уменьшение времени лизни дырок в метастабильном состоянии прй разогреве свободных электронов внешним электрическим полем. Оно обусловлено ростом вероятности рекомбинации дырки в метастабильном состоянии со свободным Электроном по мере его разогрева

7. Из опыта оценено сечение фотоионизации 6Рь мелкого во^оро-доподобного акцептора подзонным светом: ¿рк(0.12 эВ)«1.5-1б см8.

8. Предложена модель процесса, вызывающего микросекундное затухание экситонных линий и линии (1>°,Ь) люминесценции п-ваАз по окончании возбуждающего межзонного импульса. Модель включает спонтанный оже-распад метастабильного дырочного состояния.

9. Показано, что в п-СаАз времена жизни свободных электронов в зоне проводимости при Т<10 К могут определяться временем жизни дырок на метастабильных состояниях.

10. Показано, что в исследуемых образцах присутствуют положительно заряженные дефекты, не захватывающие свободные электроны.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на конференцях: 12-й Всесоюзной по физике полупроводников (Киев, 1990 г.) и 8-й Международной по динамическим процессам и возбужденным состояниям в конденсированных средах (Лейден, 1991 г.). ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 4 - в журналах.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 178 страниц текста, 66 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан литературный обзор, в начале которого описаны основные электронные свойства арсенида галлия (§1.1). В §[.2 обсуждается спектр краево" люминесценции СаАэ. При темпера-

туре Т<10 К в чистом п-СаАэ наиболее интенсивными являются [1] :

- лоляритонные линии, соответствующие верхней (ЦРВ) и нижней ' (ЬРВ) поляритонной ветви;

- линия, обусловленная аннигиляцией экситона, связанного на нейтральном доноре - (1)0,Х);

- линия, вызванная рекомбинацией электрона, связанного на нейтральном доноре со свободной дыркой -

- полоса, обусловленная рекомбинацией электронов и дырок, лока лизованных на нейтральных донорах и акцепторах,соответственно, обозначаемая (Ь-А) или ДАП.

Спектр люминесценции СаАэ изучается на протяжении более 30, и то, что за описанные выше линии люминесценции п-СаАэ ответственны определенные носители заряда, находящиеся в определенном состоянии (в свободном или связанном на водородоподобных примесях),- хорошо известно. Благодаря этому, в настоящей работе краевая люминесценция п-С&къ используется как средство, позволяющее нам по поведению ее спектральных линий экспериментально исследовать динамику носителей заряда - процессы их захвата, высвобождения, рекомбинации.

В $1.3. Описаны процессы высвобождения и захвата носителей, идущие с участием примесных центров. Особое внимание уделяется метастабильным состояниям в полупроводниках - их природе и проявлению в различных эффектах.

В последнем параграфе плавы (§1.4) подробно описаны цели работы и обоснован выбор объекта исследования.

Во второй главе изложена методика измерений (рис.1). По ней проводилась большая часть опытов, описанных, в настоящей диссертации. Образец п-СаАэ, охлажденный до низких температур (2-80 К), предварительно возбуждался импульсом межзонного света (}1^0>Ед). В результате рождались свободные носители - электроны (е) и дыркн (Ю. При этом неосновные носители (в п-СаАа - дырки) захватывались на метастабильные глубокие ловушки (Ш. Через время л1 после окончания импульса Ь)о образец возбуждался длинным прямоугольным импульсом подзонного светя (Ь^сЕд). который зысвобоадал дырки с ловушек. Во время действия импульса света Ь возгорала краевая люминесценция вызванная излучателькой

Ьм0

к

г- Ш)!

Ь

Рис I а - расположение образца и источников света; б -'временные эпюры импульсов накачки и возгорающей люминесценции; в - процессы генерации и захвата носителей (при действии ), их высвобождения и рекомбинац.и

, » , . \ г. и ч- - соответственно, начало

(при действии К^)- ^=0 и ^и ~

к конец импульса подзонной накачки.

- э -

рекомбинацией неравновесных дырок с электронами на мелких донорах или в зоне проводимости. В опытах измерялись спектр КЕ) и • кинетика 1(1) возгорающей краевой люминесценции. Затухание 1(1) обусловлено постепенным опустошением дырочных ловушек (БЬ). Варьировались плотности межзонной (1г»о) и подзонной накачек, время задержки ДI, температура образца Т. Использовались различные источники подзонной накачки с энергией кванта ^ от 0.1 до 1.3 эВ.

Похожая схема эксперимента [2] является традиционной и применялась в исследованиях объемных образцов соединений типа А1 В0. В нашей работе методика существенно развита, что позволило оценить параметры метастабильных ловрек, захватывающих неосновные носители и проследить динамику свободных носителей обоих знаков.

В $2.1 приводится решение упрощенного уравнения, которое описывает кинетику дырок в валентной зоне и на ловушках во время действия прямоугольного импульса подзонного света на образец, предварительно возбужденный межзонным светом. Из решения кинетических уравнений выводятся формулы для оценки некоторых параметров глубоких ловушек: сечения фо^ионизации, времени жизни неосновных носителей на них, концентрации ловушек, оптической глубины их залегания и др.

В §2.2 приводятся параметры и характерные спектры некоторых исследуемых образцов. Концентрация донорной примеси - в основном - от 1014 до 3' 10<5 см"3 , степень компенсации мелкими акцепторами (^/Нд)"0.1-0.2ги менее. Исследовались также сверхчистое образцы п-ваАз: N^<10 см , N„<<N5.

В §2.3 описана экспериментальная установка. Образец помещался в оптический гелиевый криостат, через прог.ачные окна которого подавались световые импульсы. Исследуемая люминесценция 1(1) проектировалась на входную щель монохроматора ДФС-24, на выходе которого находился фотоумножитель ФЭУ-79. Однофотонные импульсы с него подавались на вход импульсной схемы, связанной с анализатором АИ—1024, что позволяло регистрировать кинетику и спектр исследуемой вспышки краевой люминесценции. В §2.3 диссертации также уделяется внимание некоторым техническим решениям, потребовавшимся для осуществления эксперимента.

Третья глава целиком посвящена оригинальным исследованиям ме-тастабильных состояний-с помощью обнаруженного нами в СаАэ эффекта Ж-стимулированной краевой люминесценции. Исследуется суммарная люминесценция на линиях (1)0,Ь), (1>0,Х), ЦРВ, ЬРВ, а также отдельно линии примесной люминесценции: и Ш).

Как известно из литературы, линия (1)0,Ь) формируется при рекомбинации электронов на нейтральных донорах (Ъ°) со свободными дырками (Ю. При слабых интенсивностях накачки число (I)0) в на- . ших образцах п-СаАэ можно считать постоянным. Тогда интенсивность линии (В°,Ь) пропорциональна концентрации свободных дырок. Этот факт используется наш в главах 3 и 4.

В §3.1 изложены опыты, где энергия кванта подзонного излучения 1г»<«0.12 эВ. Для описания наблюдавшейся экспоненциальной части кинетики опустошения метастабильных ловушек используются уравнения, выведенные в §2.1. По формулам § 2.1 оценены некоторые параметры ловушек, лежащих на глубине Ео~0.12 эВ. Измерена кинетика затухания донорно-акцепторной полосы (ДАП) при воздействии на образец подзонного света . Дан анализ сложного поведения затухающей кинетики ДАП в этих условиях, когда под действием света 11М< идет фотоионизация мелких акцепторов. На его основе найдено сечение фотоионизации мелких, водородоподобных акцепторов (энергия связи Е^ЗО мэЕ) светом ^-0.12 эВ.

В §3.2 изучалось возгорание краевой люминесценции в линии (Б под действием света от 0.1 до 1.3 эВ на образец, предварительно возбужденный светом Ы^Е^. Обнаружено, что при Ьм, > 0.4 эВ кинетика люминесценции существенно неэкспонени^аль-нэя. Форма ее сильно зависит от населенности ловушек дырками к моменту начала фотоионизации (рис. 2 а). Для объяснения этого предложена модель, учитывающая интенсивны:! обратный захват дырок на ловушки (ЮЬ1) во время фотоионизации последних (рис.2 б). Справедливость данной модели подтверждается во всех проведенных' нами опытах.

Таким образом, каши эксперименты показали, что вероятности захвата дырки ка глубокие (Е0~0.4 эВ) ловушки (РЬ), если они пусты, в десятки раз больше вероятности излучательной и безызлу-ч' ельнои рекомбинации дырки. Из этого, в частности, следует, что пустые глубокие ловушки заряжены отрицательно (возможно, кратно)

Рис. 2, а - кинетика затухания 1(Ъ) при различных плотностях Р0 межзонной н.-.качкн К>)0; на вставке - построение кривой по экспериментальным точкам: О - модель процесса, учитывающая интенсивный обратный захват дырок на пустые ловушки (ВЫ.

-т.е. являются акцепторами. Концентрация глубоких акцепторов в наших образцах гораздо больше, чем мелких. Исходя из сказанного делается вывод о решающем влиянии глубоких ловушек на компенсацию материала и на время жизни'неосновных носителей в условиях нашего эксперимента. В $3.2 также оценены параметры глубоких метастабильных ловушек ($о«0.4 эВ), проведено сравнение их с аналогичными параметрами более мелких ловушек (Е0~0.12 эВ), изучавшихся в $3.1. Обсуждается их возможная природа и перспективы, практического использования явления ИК-стимулированной люминесценции.

Параграф 3.3 посвящен исследованию влияния разогрева носителей внешним электрическим полем на время жизни метастабильного состояния ловушки с захваченной дыркой (рис.3). Опыты показали, что разогрев электронов значительно увеличивает вероятность их рекомбинации с локализованными дырками, причем чем выше температура электронов, тем больше указанная вероятность [3]. Эти эксперименты говорят о наличии барьера, запрещающего рекомбинацию свободного электрона и мэтастабильной дырки. Разогрев электронов способствует преодолению ими барьера.

В четвертой главе специально рассматривается поведение экси-тонных линий люминесценции (Т<10 К) и влияние на них метастабильных состояний, захватывающих дырки. Сравниваются интенсивности экситонной (Р°Д) и примесной (1>°,Ю люминесценции в различных условиях эксперимента.

Из литературы известно, что экситонные линии формируются при участии свободных носителей обоих знаков. Так, для образования комплекса (1)°,Х) - экситон на нейтральном доноре - необходим нейтральный донор, свободная дырка и свободный электрон. В то же время для формирования линии (Р°,Ь) (см. выше) необходимы только нейтральный донор и свободная дырка. Исходя из сказанного, отношение Г1 интенсивностей линий спектра (С°,Х) и (Б ,Ю, у^- КС0.Х)/1 ,Ю,является полуколичественной мерой концентрации свободных электронов *).

*) В экспериментах гл.4 использовались невысокие температуры (ТОО К) и слабые плотности накачки. В этих условиях вероятность

54.1 является введением к главе 4.

В §4.2 описано экспериментальное исследование спектров стационарной фотолюминесценции (ФЛ) при различных температурах образца, энергиях возбуждающего кванта Ьм (в том числе и близких к ширине запрещенной зоны Е9) и интенсивностях накачки. Цель этих опытов установить происхождение линии спектра Е = 1.5133 эВ, которую часть авторов связывает с переходом (1>0,Ю, а часть -'с аннигиляцией комплекса ,Х) - экситон на ионизованном доноре. Хотя подавляющее большинство экспериментов на образцах п-ОаАз доказывает, что линию Е = 1.5133 эВ вызывает переход (Е>° считается [1], что лучше устанавливать природу линии в каждом конкретном случае. В 4.2 показано, что линия спектра люминесценции наших образцов Е = 1.5133 эВ соответствует "переходу (1)0,Ю.

При исследованиях спектра стационарной фотолюминесценции (ФЛ) п-СаАзгнами обнаружено, что при малых уровнях накачки Р0< 10 Вт/смг- рост Р0 приводит к более быстрому росту интенсивности ФЛ на линии (1)0,Х). чем на

£4.3 посвящен изучению отдельных линий краевой люминесценции, сопровождающей выброс дырок из метастабильных состояний, которые предварительно заселяются импульсом межзонной накачки . Наличие в спектре люминесценции экситонных линий говорит о присутствии в образце свободных электронов. Основное внимание уделяется различию в поведении линии (1>°,Ю и экситонных линий.

В разделе 4.1.3 рассмотрен выброс дырок с глубоких метастабильных ловушек (Ю под действием подзонного света ^<Ед.

Обнаружена независимость соотношения амплитуд возгорающей люминесценции (они достигаются в самом начале действия импульса Ь^Ед) на линиях (05,Х) и (Б°,Ь) от плотности Р, подзонной оптической накачки Нч«. Это показывает, что свободные электроны

образования экситонов и экситонных комплексов достаточно велика [4]. Сравнение интенсивчостей линий (1>°,Х) и (Б°,Ь) проводится при неизменной температуре образца, что исключает ошибку из-за различной температурной зависимости интенсивности этих линий. Основные эксперименты проводились при Ь =1.17 эВ, чтобы сЕетом опустошались Есе ловушки.

несценцяи на линии (1>°К ); в - диаграммы, иллюстрирующие наличие барьера для свободного электронг и возможность его преодоления при разогреве электронов внешним полем. Слева - в отсутствие,справа - при действии греющего поля.

присутствуют в образце не благодаря фотоионизации доноров. В противном случае с ростом Р< росла бы концентрация свободных электронов, что привело бы к росту г^ .

Эксперименты показали также независимость 1£ от длительности задержки М (¿1=10-1000 мкс) между импульсами Ьч0 и . Следовательно, свободные электроны присутствуют в образце не потому, что они не успели захватиться на иониованные мелкие доноры: соответствующее время захвата при ^"Ю'2 см"5 порядка 1 мкс. -

Зарегистрировано уменьшение соотношения ^ интенсивностей линии (0°,Х), к (1)0,Ю при уменьшении числа дырок в метастабильных состояниях, независимо от способа опустошения последних:

- путем уменьшения плотности межзонной накачки заселяющей ' ловушки дырками (рис. 4а);

- под действием греющего внешнего электрического поля (рис.4 б);

- при опустошении ловушек со временем за счет фотоконизации светом 1г^>Е0 (рис.4 в).

В разделе 4.3.2 исследуется долговременная люминесценция в окрестности линии сопровождающая медленный спонтанный

выброс дырок из долгоживущих локализованных состояний (ЛС). Явление впервые описано в [5].

Обнаружена независимость скорости спада люминесценции от температуры образца при изменении е от 2 до 25 К; что подтверждает вывод [5] о безактивационном механизме выброса дырок.

При монотонном росте плотности межзонной накачки ЬЧозарегистрирован рост, а затем спад отношения интегральной по времени интенсивности линии исследуемой люминесценции к интенсивности люминесценции во время действия накачки Ыд. Рост отношения говорит о захвате в одно метастабильное состояние двух или более дырок (закон действующих масс). Спад вызван ьасьпдением состояний дырками при росте концентрации последних.

Приводится модель, объясняющая микросекундное послесвечение краевой люминесценции по окончании импульса мекзонной накачки. Модель включает спонтанный выброс дырок из метастабильных состояний, на которые захватывается по две или более дырок. Предполагается, что процесс выброса типа Оже.

Описывается эксперимент показывающий независимое опустошение фотоионизуемых- ловушек (РЬ) и локализованных состояний, распада-

1(1», пр. ед. КМ, пр. ед. ед. " . 10», пр. ед. '8

Рис. 4. уменьшение отношения г^ при уменьшении заселенности метастабильных состояний дырками за счет: а - ослабления межзонной (заселяющей) накачки, л - действия импульса греющего поля, в - действия накачки КЧ) , опустошающей ЭЬ, г - спонтанного выброса дырок с локализованных состояний (ЛС).

ющихся спонтанно (ЛС); Делается предположение о 4азделении Ш, и ЛС в пространстве эпитаксиального слоя.

В спектре долговременной люминесценции обнаружены как примесная (1)°,Ю, так и экситонные ( 1)°Д; ЬРВ; ЦРВ ) линии. Это говорит о наличии в образце свободных электронов.

Обнаружено, что люминесценция на линии (В°,Х) спадает со временем быстрее, чем (1>0,11) (рис.4 г).

В $4.4 обсуждаются экспериментальные факты, изложенные в §§4.2 и 4.3.

В опытах $4.3 установлено, что в исследуемых образцах п-ОаАз при Т<10 К есть свободные электроны, причем их концентрация сравнима с концентрацией дырок на метастабильных состояниях.

Делается вывод, что после действия межзонной накачки в п-ОаАз длительное время находится заметное количество свободных электронов, избыточных по сравнению с числом ионизованных мелких доноров. Причина этого - захват фотовозбужденных дырок в мета-стабильные состояния и запрет рек мбинации электронов с долгожи-вущими дырками.

Иными словами, образец эпитаксиального п-СаАз при низких температурах (Т<10 К) под действием межзонной накачки может перейти в метастабильное состояние, которое характеризуется не только заселением долгоживущих дырочны: состояний, но и наличием свободных электронов, избыточных по сравнению с числом ионизованных мелких доноров. Показано, что время жизни и концентрация "избыточных" электронов такие же, как и у дырок в метастабильных состояниях.

Присутствие "избыточных" электронов позволяет объяснить некоторые известные ранее [4] и обнаруженные нами ($4.2) свойства краевой люминесценции эпитаксиального п-СаА~.

Применение к исследуемым образцам условия электронейтральности показывает,что в образце, находящемся в метастабильном состоянии, существуют положительно заряженные центры, нейтрализующие заряд "избыточных" электронов. Отсутствие захвата электронов на положительные (притягивающие) центры и другие экспериментальные факты приводит к предположению, что уровни полоттательннх дефектов лежат выше потолка запрещенной зоны, т.е. являются резонансными с зоной проводимости.

В Заключении представлена сводка основных результатов диссертационной работы и выносятся благодарности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. В арсениде галлия обнаружен эффект стимулированной подзонг ным светом краевой люминесценции, наблюдаемый при условии предварительного возбуждения кристалла межзонным светом.

. 2. Возгорание краевой люминесценции в п-СаАз вызвано фотоионизацией метастабильных состояний - ловушек, захвативших дырки. Параметры ловушек следующие: время жизни захваченных на них дырок. - от 200-300 мкс до более 10 мс в.зависимости от типа ловушки, сечение фотоионизации бр^для нескольких значений энергии кванта света в интервале от 0.1 до 1.3 эВ - от 10 до 5-10 см2. Оптическая энергия ионизации Ео от 0.1 до 0.4 эВ.

3. Измерено сечение фотоионизации ¿рь мелкого водородоподобно-го акцептора светом Ич,«0.12 эВ. Оно составляет 1.5*10" сма.

4. Степень компенсации чистого эпитаксиального п-СаАз и время тазни неосновных носителей в нем при низкой температуре (Т<80 К) и слабом оптическом возбуждении могут определяться дырочными ловушками (Ео>0.2 эВ), являющимися глубокими акцепторами.

5. Время жизни дырок в.метастабильном состоянии значительно уменьшается при разогреве свободных электронов внешним электрическим полем за счет роста вероятности рекомбинации долгоживущей дырки со свободным электроном по мере его.разогрева.

6. Микросекундное послесвечение краевой люминесценции п-СаАэ на линия: (Р0,Ю и экситонных, наблюдаемое по окончании импульса межзонного возбуждения, вызвано спонтанным Оже-распадом долгожи-вущкх состояний, захвативших по(^две (или более) дырки.

7. Образец п СаАз (N^10 -И О см3), содержащий метастабильные дырочные уровни, под действием межзонниго света переводится в долгоживущее состояние. Оно характеризуется присутствием в зоне проводимости свободных электронов при температурах образца

Т<10 К. Время'жизни и концентрация свободных электронов совпадают с аналогичными параметрами дырок на метастабильных ловушгах.

8. В образце эпитаксиального п-СЗаАБ присутствуют положительно заряженные дефекты, не захватывающие свободные электроны.

Основные положения'диссертации.опубликованы е научных статьях:

1. А.В.Акимов, Ю.В.Шиляев, Б.Б.Крйволапчук, В.Г.Шофман. Перезахват неосновных носителей в условиях фотоионизации в зпитаксиальном n-GaAs. - ФТП. 1990. Т. 42. В. 1. С. 82-92.

2. А.В.Акимов, Ю.В.Жиляев, В.В.Криволалчук, Н.К.Полетаев, В.Г.Шофман. Экспериментальное наблюдение дырок в n-GaAs, высвободившихся в результате Оже-распада локализованных со- • стояний. - ФТП. 1991. Т. 25. В. 4. С. 713-717.

3. А.В.Акимов, В.Г.Шофман. Рекомбинация горячих электронов на центрах прилипания в зпитаксиальном n-GaAs. -

ФТП. 1891. Т. 25. В. 7. С. 1133-1135.

4. А.В.Акимов, В.Г.Шофман. Воздействие излучения 10.6 мкм

на краевую люминесценцию- эпитакскального n-GaAs. -*ТП. 1SS1. Г. к,5. В. S. С. 1553-1300.

5. A.V.Akiraov and V.G.Shofman /EXCITON AND FREE CARRIER DYNAMICS UNDER CONDITIONS OF IMPURITY PHOTOIONIZATION IN EPITAXIAL GaAs. // 8-th Intern. Conf. on DPC .Letdea, 1991.

Цитируемая литература

1. Heim U., Hiesinger P. Luminescence and Excitation Spectra of Exciton Emission in GaAs. - Phys. Stat. Sol. (B), 1974, v. 66, No. 2, p. 461-470.

2. Lambe J.J., Klich C.C., Model for Luminescence and Photoconductivity in the Sulfids. - Phys. Rev., 1955, v. 98, No. 4,

p. 909-914.

3. Рывкин C.M., Фишман И.М., Еретер Ю.Г. Особенности излуча-тельной рекомбинации носителей тока, разделенных отталкивающими барьерами. - ФТП, т. 5, 1971, No. 6, с. 1212-1216.

4. Ulbrich G.K. Energy Relaxation of Fhotoexcited Hot Elec-

trons in GaAs. - Phys. Rev. B, 1973, v. 8, No. 12, p. 5719-5727.

5. Акимов А.В., Каплянский А.А., Криволалчук В.В., Москаленко Е:С. Проявление мегастабильных локализованных состояний дырок в медленной кинетике краевой люминесценции n-GaAs. - Письма в НЭТФ, 1937, т. 46, No. 1, с. 35-39.