Излучательная рекомбинация в монокристаллических структурах фосфида галлия, арсенида галлия и пористом кремнии при изменении интенсивности оптического и электрического возбуждения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОС ТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи УДК 538.958

РГК од

Салимзянов Ришаг Расихович I г ш/1 2000

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ, АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И ПОРИСТОМ КРЕМНИИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре физики Московской государственной академ приборостроения и информатики и Институте радиотехники и электроник

РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Беланов Анатолий Семенович

кандидат физико-математических наук, донент Гай ворон Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Сидоров Вячеслав Иванович

кандидат физико-математических наук, с.и.о. Грифонов Владимир Ильич

Ведущая организация: Государственное НПП "Исток"

Защита состоится 22 июня 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 063.93.02 при Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу: 107846, г. Москва, ул.Стромынка, д.20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ.

Автореферат разослан 22 мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Баландин В.Л.

ОБЩАЯ X АРАКТЕР11СТИ1СА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию межпримесной н экситошюй ремкомбинаини в монокристаллическом фосфиде галлия (СаР) и арсениде галлия <6'оЛл).

Интерес к этим исследованиям основывается на том, что еше не до конца выяснена природа излучателыюй рекомбинации при различных уровнях возбуждения, что проявляется в изменении структуры спектров излучения из-за кулоновского экранирования, влияния плазменного экранирования и вкладов различных механизмов электронных переходов в излучательную рсюшбинзцию при различных ингснснвностях возбуждения и температурах.

Исследования пористого кремния, как возможной альтернативы глассических материалов СаР и Ga.4s.nm изготовления эффективных [¡столиолое! на основе кремниевой технологии продолжаются оставаться ктуальными.

К настоящему времени, несмотря на большое число работ, ¡юсвяшенных ¿следованию фотолюминесценции ГФ.П> СаР и СоАч » электролюминесценции )Л) светодиодов на их основе, неясны многие детали механизмов ;лучательнон рекомбинации,

В частности, представляет интерес выяснение особенностей донорно-непторной рекомбинации в зависимости от размера пары донор-акцептор г не тько с точки зрения зависимости вероятности рекомбинации электрона и рки, захваченных, соответственно. на донор и акцептор. Важной, по нашему гнию, является также и зависимость сечения захвата свободных носителей ¡ару от размера пары г, что может сказываться и на перераспределении ененвкости и лучения в рашнчных областях спектра.

Таких конкретных, подробных »следовании, как экспериментальных, гак орегических, а этом направлении практически не проводилось. В работе 1ложена теоретическая модель, учи ты накипая л\ зависимость.

Интересным является и поведение стандартных светодиодов на основе и бЪЛ.у, особенно в области низких темперлпр при нормальных токах и

больших токах, при которых на вольтамперной характеристике возникают области отрицательного сопротивления [7].

Существенным является поведение достаточно чистого С>аЛ.1 в условия когда концентрация оптически возбужденных свободных носителей значительно превышает концентрацию равновесных свободных носителей [2] Плазменные эффекты, возникающие в этом случае, значительно влияют на структуру рекомбинациокного излучения.

Остается открытым вопрос о роли различных механизмов излучения в пористом кремнии. Утвердительного ответа на вопрос, является ли видимое излучение в пористом кремнии результатом пространственного квантования, либо оно обусловлено образованием различных комплексов кремния с 0>, Н > I др. атомами, до сих пор не дано. Важными для однозначного ответа являются исследования температурной зависимости интенсивности ФЛ.

Цель работы. Целью данной работы является выяснение влияния различных видов оптического и электрического возбуждения на трансформацию спектров излучательиой рекомбинации.

Научная новизна (основные положении, выносимые на защиту).

1. Обнаружено, что при увеличении интенсивности оптического возбуждения структура спектров межпримесной ФЛ в ОиР трансформируется таким образом, что относительная интенсивность излучения смещается в длинноволновую область. Это означает, что увеличивается вклад в излучение лонорно-акцепторных пар с меньшим размером г.

2. Предложена модель электронных переходов, позволяющая учесть зависимост ь перезарядки ионизованных пар свободными носителями от размера пары г.

3. Обнаружено изменение типов излучательной рекомбинации светодиодоа на основе СаР при нормальных токах при изменении температуры от комнатной до азотной. Излучательная рекомбинация при ком натных температурах, обусловленная аннигиляцией

свободных илл связанных с примесями экситонов, переходит в межпримесную ичлучательную рекомбинацию электронов и дырок, захваченных на мелкие доноры и акцепторы при азотных температурах.

4. Обнаружено, что в систол подах на основе ОаР при токах, больших критических , т.е. в той области, где на яольтамперной характеристике наблюдается отрицательное сопротивление, при изменении температуры возникает двухполосная структура. Отношение интенсивносгей коротковолнового и длинноволнового пиков при этом увеличивается при увеличении тока.

5. Обнаружено исчезновение полос излучения в СаЛ$, связанных с аннигиляцией связанных зкситонов, при увеличении интенсивности и вида оптического »осуждения при гелиевых температурах

6. Обнаружены особенности зависимости интенсивности излучения пористого кремния от температу ры.

Практическая значимость заключается в выяснении условий, при угорых в нелегированных н легированных полупроводниках возникает !мененне спектроп фото- к *лсктролюм»шесцсннни и понимании причин, пыпающих эти изменения.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и икладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и нрава", эсква, !999; на 55-ой Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, ПО; на научных семнипрач 11С) РА1I.

Но материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура к обьем лнсссргацни. Диссертация сое шит из введения, а глав, заключения и списка цитируемой литературы из60 наименовании, ьем диссертации составляет 81) страниц, работа включает 30 рисунков и 1 лицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цели, научная новизна, возможность использования полученных научных результатов на практике. Кратко излагается содержани диссертации по главам.

В первой главе изложены известные из публикаций основные сведени об исследуемых в диссертации материалах, об их энергетической структуре, фононном спектре и возможных примесных состояниях и излучательных переходах, реализующихся в данных материалах. Приведены основные выво, из теории межпримесной донорио-акцепторной излучательной рекомбинацш Основное внимание уделено донорно-акцегсторным парам для случая водородоподобных, мелких примесных центров.

Приведены известные из литературы расчеты, позволяющие предсказат влияние кулоновского и плазменного экранирования свободных носителей заряда, а также объяснить трансформацию структуры спектров излучения пр( изменении оптической и электрической накачки.

Вторая глава посвящена исследованию спектров ФЛ, в основном, специально нелегированных образцов Си Р. Глава состоит из четырех раздело

В первом разделе приведены описание экспериментальной установки, используемой для измерения ФЛ, а также основные электрофизические свойства баР.

Второй раздел посвящен обсуждению ФЛ в баР при азотных температурах при возбуждении его непрерывным гелий-кадмиевым лазером [! ]. Установлено, что при изменении интенсивности оптического возбуждени: наблюдается двухполосная структура спектра зеленой ФЛ с максимумами А (Л IV,=2.14эВ) и В {Н ути=2. 18эВ) (рис. 1). Изменение структуры заключается в уменьшении отношения интенсивнос ти максимумов полос А и В с уменьшением интенсивности возбуждения (для кривой 2 на рис.! интенсивность возбуждения была на порядок меньше, чем для кривой 1).

2.12 2.16 2.20

Энергия фотона, эВ

РисЛ. Спектры интенсивности ФЛ в СаР при возбуждении Не-СЛ лазером (в относительных единицах). Интенсивность возбуждения для кривой I в Юраз больше, чем для кривой 2.

Сделан вывод о том, что наблюдаемое излучение связано с межпримесной рекомбинацией электрона на доноре (5) с дыркой на акцепторе (О Изменение отношения ингенснвностеП полос может быть обусловлено зависимостью степени заполнения ионизованных донорно-акцепторных пар свободными носителями заряда в зависимости ог размера пары г.

£

В третьем разделе проведено теоретическое рассмотрение механизмов захвата носителей на донорно-акцепторную пару от размера пары г [6]. Кинетические уравнения, описывающие эти процессы, решаются в том приближении, что зависимость степени захвата определяется темпом захвата носителя заряда на ту примесь, у которой энергия ионизации меньше. В нашем случае анализируется захват электрона на ионизованный донор.

Из приведенных расчетов следует, что зависимость концентрации п^ нейтральных доноров (т.е. ионизованных доноров, захвативших электрон) от г описывается соотношением

Ъ = + Л'с ехр(-2 Е'¿/к!")) (1)

где £ V = Еа - с7/ (4п£оег).

Здесь Еа-энергия ионизации донора, Со - электрическая постоянная, с-диэлектрическая постоянная материала, я - концентрация электронов в зоне

Рис.2. Зависимость концентрации нейтральных доноров пг/ от размера пары г при п= 10Исм"3. 1 - £¿=0.04 эВ, 2 - £¿=0.05 эВ, 3 - £¿=0.06 эВ, 4 - £¿=0.07 эВ.

проводимости, возникающая за счет оптического возбуждения, Л^— общая концентрация доноров, Ис - эффективная плотность состояний в зоне проводимости.

Используя известное соотношение, характеризующее зависимость -штенсивноега ФЛ от энергии излучаемого фотона ¡¡¿И с):

!„(Ь у^сопИф^^ V *ехр(-1 ят>) *ехр(-2г/ащ) (2)

ложно получить спектр излучения с учетом соотношения (1)

101V) = Ы/п')>1/

о

О •

— о

5 -

4 -

я - 3 -и Е5

2 -

ь

= I -

2.15

2.20

2.2 5

Энергия фотона, з В

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции 1(Ьу) согласно теоретической модели. 1 - концентрация п = 10" см"5,2 - п = 1017 см"3.

На рис. 2 и 3 приведены результаты теоретического расчета зависимости

(/-) И I(h xj. Связь между величинами г и /постанавливается из соотношения hv = Ер - (Ej + Е,.; 4 а: ■(4хс„п-)

где Ег - ширина запрещенной зоны, £</ и Е„ - энергии активации донора и акцептора. Для рис. 3 энергия активации акцепторной примеси Е„ принята равной 0.15 эВ.

В четвертом разделе шорой главы приведены спектры ФЛ нелегировавного баР при возбуждении импульсным азотным лазером. Отмстим, что число фотонов, излучаемых этим лазером (>1017 фотон/с), был< по крайней мере, на порядок больше, чем число фотонов, излучаемых гелий-кадмиевым лазером.

В этих спектрах ФЛ, наряду с полосами А и В, обсуждаемыми во второ

<=! е

] .0

л

н . ° ч

о и со х

а н

О о о .5

в

и

н

я

к

2.05 2.10 2.15 2.20 2.2 5 Энергия фотона,эВ

Рис. 4. Спектры фотолюминесценции СаР при возбуждении азотным (/ лазером. Интенсивность возбуждения для кривой 1 -/<;, для кривой 2 -//0.38 , для кривой 3 - /с*0.15.

разделе, наблюдается две новых полосы Си D, сдвинутых в коротковолновую область (рис. 4). Поведение полос А и Я обсуждается в рамках предложенной в третьем разделе зависимости эффективности захвата свободных носителей заряда на дотрно-акцепторныс пары от ртшера пары г. Появление полос С и D может быть обусловлено итлучательной аннигиляцией связанных на доноре S ->кептонов или рекомбинацией свободной дырки с злекгроном на доноре S.

В третьей главе обсуждаются спектры ЭЛ светодиодов на основе GaP (O.Zrr) [4,5]. Однако основная полоса красной ЭЛ, связанная с рекомбинацией комплекса (Zfj-O) - акцептор Zn. не рассматривается. Анализируется

неосновная зеленая полоса люминесценции, обусловленная рекомбинацией через мелкие центры Zn, Те.

Делается вывод о том, что при нормальных токах* 5-10 тА (в области" положительного дифференциального сопротивления) в зависимости от температуры наблюдается трансформация спектра излучения, обусловленная рекомбинацией сданного на нейтральном лонорс Те т-нтоиа (при Г=300К)до межпримесной рекомбинации электронов на доноре Те с дыркой на акцепторе Zn (при Г=77К) [4]. В ходе изменения температуры от 300К до 77К изменяется и ciруктура спектра. В температурном диапазоне 110-150К снекгр приобретает двучгорбый вид. При больших токах (область отрицательного сопротивления на S-образноГ! вольтамперной характеристике) обнаружено смещение спектра излучения при увеличении тока (рис. 5) я коротковолновую область. Полоса /п= 2.19зВ исчезает, вместо нее возникают две полосы с максимумами /л£2.22эВ и fri-s 2.27эВ.

Проведено обсуждение трансформации спектров. Сделаны два предположения, которые могли бы объяснить наблюдаемые изменения спектра. Одно предположение заключается в том, что при увеличении тока изменяйся этот ношение вкладов в люминесценцию пар (Tc-Z/r) и (Тс-С). На шкую возможность указывает ряд авторов. Другое предположение состоит е том, чго ipn увеличении плотности тока может произойти увеличение вклада

экситонной рекомбинации или рекомбинации свободный носитель заряда -примесь, что также приводит к сдвигу спектра в коротковолновую область.

2.15 г .го г ,2 з г ,э о Энергия фотона, эВ

т 1 О О

8 О

б О

О

2.3 5

Рис. 5. Спектры электролюминесценции светодиодов СаР при температуре Г=77К для разных значений тока (без учета чувствительности ФЭУ - кривая Ф). 1 - 5тА, 2 - 8шА, 3 -12шА, 4 - 15тА, 5- 20шА, 6 - ЗОтА, 7 -40тА.

В четвертой главе анализируются спектры излучения е эпитаксиальньгх пленках полученных методом эпитаксии их газовой фазы. Основное внимание уделено исследованию спектров ФЛ (7аЛ5, охлажденного до гелиевых температур при возбуждении милливаттным гелий-неоновым (Не-А!е) лазером и мощным импульсным азотным (А';) лазером.

Основными результатами этих исследований являются: - наблюдение исчезновения резких линий излучения, появляющихся при возбуждении Не-Ме лазером и обусловленных излучательной аннигиляцией

экситонов, связанных на нейтральных и ионизованных донорах, при облучении (?а/1.у мощным азотным лазером.

- обнаружение увеличения полуширины полосы излучения при возбуждении

азотным лазером почти на порядок, которая расширяется в коротковолновую и

длинноволновую области спектра (рис. 6).

Основной вывод из анализа наблюдаемых спектров заключается в том,

что впервые при оптическом возбуждении удалось наблюдать исчезновение

излучения, обусловленное аннигиляцией связанных экситонов [2]. Условием их

существования является соотношение:

,3 , п<-л а г, 4

где п - концентрация свободных носителей, а - радиус связанного состояния экситона, г, - критический параметр. Для С а Аз при п> ! 0!6 см'3 связанные экситоны не образуются.

Д л и н а в о л и ы . н м

Рис. 6. Спектры ФЛ в образце СЫз при возбуждении Не-Ке лаз ером (кривая !) и Л'; лазером (кривая 2) при температуре 7=6.1 К.

В питой главе обсуждаются результаты исследования пористого кремния, как одного из возможных альтернативных материалов для создания светодиодов в видимой части спектра.

Важной характерной особенностью для объяснения природы излучательной рекомбинации является зависимость интенсивности люминесценции от температуры [3]. В некоторых работах при уменьшении температуры от 2 ЮК до 80К наблюдалось уменьшение интенсивности люминесценции. В наших образцах пористого кремния уменьшение температуры от 300К до 80К не приводило к уменьшению ФЛ (рис. 7).

Интересным направлением в повышении эффективности излучения пористого кремния является металлизация его поверхности. В пятой главе приведены сведения о ФЛ и ЭЛ пористого кремния с нанесенным на его поверхность оловом.

/и

о ©

J

н

о о

X »

и

в

и Ь

1 8 О

16 0-

J 4 0 -

12 0-

10 0-

100 150 200 250

Температура, К

Рис. 7. Зависимость максимума ФЛ в пористом кремнии от температуры для трех образцов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе:

1. Создана аппаратура для исследования излучательной рекомбинации в широком диапазоне температур от 300К до 77К и от 4.2К до 2(Ж в области длин воли излучения от О.Змкм до !мкм.

2. Экспериментально установлено, что интенсивность излучательной рекомбинации й СаР зависит ог энергии излучаемых фотонов. Интенсивность межпримесного излучения меняется с изменением интенсивности возбуждения. При этом интенсивность излучения уменьшается сильнее для донорно-акцепторных пар с меньшим размером пар г.

3. Обнаружено, что при оптической накачке мощным лазером в спектре излучения СаР, кроме межпрпмеснои излучательной рекомбинации, наблюдается более коротковолновое "краевое" излучение, механизм которого отличается о г механизма межпримесноп рекомбинации.

4. Предложена и рассчитана юоретчсская модель излучательной рекомбинации, подтверждающая зависимость эффективности захвата свободных носителей от размера пары г. При увеличении г эффективность юхвага итрастаег.

5. Обнаружена трансформация спектров электролюминесценции светодиодов на основе СаР за счет изменения механизмов рекомбинации при: 1) изменении температуры и токах 5-10 тД от экситоиной до межпримесной рекомбинации; 2) изменении тока в области отрицательного сопротивления со сдвигом в область коротких длин волн при возрастании тока от К) тЛ до-40 тЛ.

6. Показано, что при оптическом возбуждении СаА.ч, охлажденного до гелиевых температур, когда концентрация свободных носителей

с танопится больше - К)' см сосктчся \ счопия. при которых жеитоиы. связанные с нейтральными или ионизованными донорами, не образуюкя' и 5-за эффекта плазменного экранирования.

7. Экспериментально показано, что уменьшение интенсивности

люминесценции пористого кремний при увеличении температуры от 77К до 300К имеет, в основном,линейный характер.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. Влияние интенсивности возбуждения на фотолюминесценцию фосфида галлия // Вопросы прикладной физики. Вып.4. Саратовский университет. 1998. стр.77-78.

2. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. Влияние интенсивности возбуждения на спектр фотолюминесценции арсенида галлия при гелиевых температурах // Сборник трудов Студенческого научного общества МГАПИ №!. Москва. 1999. стр.53-56.

3. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. Особенности низкотемпературной фотолюминесценции в пористом кремнии //Сборник трудов Студенческого научного общества МГАПИ №1. Москва. 1999. стр.56-59.

4. Беланов A.C., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. Зависимость спектров электролюминесценции светодиодов на основе GaPor температуры // Вопросы прикладной физики. Вып.5. Саратовский университет. 1999.

5. Беланов A.C., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. Зависимость спектров электролюминесценции светодиодов на основе GaP при различных токах /7 Труды 11 Между народной научно-практической конференции. Москва 1999. С. 48-50.

6. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. Зависимость степени заполнения носителями заряда донорно-акцепторнмк пар от размера пары // Сборник трудов Студенческого научного общества МГАПИ №2. Москва 2000.

7. Беланов A.C., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. Изменение спектров электролюминесценции светодиодов на основе GaP при азотных температурах // 55- ая Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва 2000.

Введение

Глава I. Излучательная рекомбинация в фосфиде галлия, арсениде галлия ив пористом кремнии.

1.1. Основные свойства фосфида галлия

1.2. Межпримесная излучательная рекомбинация.

1.3. Основные свойства арсенида галлия.

1.4. Излучательная рекомбинация в арсениде галлия.

1.5. Особенности видимой люминесценции в пористом кремнии.

Глава II. Спектры фотолюминесценции фосфида галлия

2.1. Схема экспериментальной установки. Электрофизические параметры фосфида галлия.

2.2. Спектры фотолюминесценции фосфида галлия при возбуждении непрерывным гелий-кадмиевым лазером.

2.3. Анализ эффективности захвата носителей заряда на донорно-акцепторные пары в зависимости от размера пары.

2.4 Спектры фотолюминесценции фосфида галлия при возбуждении импульсным азотным лазером

Глава III. Спектры электролюминесценции светодиодов на основе фосфида галлия

3.1. Нелинейная вольтамперная характеристика при низких температурах

3.2. Спектры электролюминесценции при постоянном токе через светодиод в интервале температур 77-300 К.

3.3. Трансформация спектров электролюминесценции при изменении тока через светодиод.

Глава IV. Люминесценция арсенида галлия при оптическом возбуждении.

4.1. Фотолюминесценция арсенида галлия при Г=78К

4.2. Фотолюминесценция арсенида галлия при гелиевых температурах

Глава V. Люминесценция пористого кремния.

5.1 Спектральные и температурные зависимости видимой люминесценции пористого кремния

5.2 Электролюминесценция металлизированного пористого кремния

Актуальность работы. Исследования излучательной рекомбинации в фосфиде галлия (ОаР) и арсениде галлия ((ЗаАз) начались практически одновременно [1,2]. Опубликовано огромное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных этой тематике.

Достигнуты большие успехи в получении чистых образцов ОаР и

ОаАз.

Однако исследования этих материалов и создание приборов на их основе продолжаются.

Существуют важные научные и научно-технические проблемы, которые до сих пор не имеют однозначной или окончательной экспериментальной или теоретической интерпретации.

Важным элементом этих исследований является выяснение влияния интенсивности возбуждения на спектры излучательной рекомбинации. Это влияние может проявляться в том, что при разных концентрациях носителей их влияние на характер излучательных переходов может быть разным, в частности, из-за кулоновского взаимодействия.

Например, в ОаР это может проявляться в изменении кулоновского взаимодействия между электронами и дырками на донорно-акцепторных парах в зависимости от их заполнения электронами и дырками.

В ОоАб влияние интенсивности возбуждения может проявляться в эффекте плазменного экранирования слабосвязанных экситонов с донорами или акцепторами, что значительно изменяет структуру спектра, как при возбуждении системы электрическим током, так и при фотовозбуждении, что и обсуждается в данной работе.

Выявление такого влияния может оказаться ценным не только с научной точки зрения, но и быть полезным в прикладном плане, позволяя получить дополнительную информацию об участии различных примесных центров в излучателыюй рекомбинации ОаР и ОаАя и приборов на их основе.

Несколько в стороне в этом отношении стоит пористый кремний. Исследования излучательной рекомбинации начались интенсивно с работы [3]. Однако этот материал представляется весьма перспективным в плане создания эффективных излучательных систем на основе хорошо отработанной кремниевой технологии. Предполагаемый квантовый размерный эффект [4], который, как считают многие специалисты, лежит в основе увеличения ширины запрещенной зоны и позволяет получить излучения в видимой области, может привести к прорыву в области оптоэлектроники и микроэлектроники.

Изучение зависимости интенсивности излучения пористого кремния от температуры предпринято в целях выяснения, что лежит в основе увеличения ширины запрещенной зоны - квантовый размерный эффект или образование на поверхности монокристаллического кремния комплексов кремния, содержащих Н2, О2 и другие компоненты.

Целью данной работы является выяснение влияния различных видов оптического и электрического возбуждения на трансформацию спектров излучательной рекомбинации.

Получены следующие новые результаты, выносимые на защиту.

1. Обнаружено, что при увеличении интенсивности оптического возбуждения структура спектров межпримесной фотолюминесценции ОаР трансформируется таким образом, что относительная интенсивность излучения смещается в коротковолновую область. Это означает, что увеличивается вклад в излучение донорно-акцепторных пар с меньшим размером.

2. Предложена модель электронных переходов, позволяющая учесть зависимость эффективности перезарядки ионизованных пар свободными носителями от размера пары г.

3. Обнаружено изменение типов излучательной рекомбинации светодиодов на основе ОаР при нормальных токах при изменении температуры от комнатной до азотной. Излучательная рекомбинация при комнатных температурах, обусловленная аннигиляцией свободных или связанных с примесями экситонов, переходит в межпримесную излучательную рекомбинацию электронов и дырок, захваченных на мелкие доноры и акцепторы при азотных температурах.

4. Обнаружено, что в светодиодах на основе ОаР при токах, больших критических , т.е. в той области, где на вольтамперной характеристике наблюдается отрицательное сопротивление, при изменении температуры возникает двухполосная структура. Отношение интенсивностей коротковолнового и длинноволнового пиков при этом увеличивается при увеличении тока.

5. Обнаружено исчезновение полос излучения в ОоАб, связанных с аннигиляцией связанных экситонов, при увеличении интенсивности и вида оптического возбуждения при гелиевых температурах

6. Обнаружены особенности зависимости интенсивности излучения пористого кремния от температуры.

Практическая ценность заключается в выяснении условий, при которых в нелегированных и легированных полупроводниках возникает изменение спектров фото- и электролюминесценции и понимании причин, вызывающих эти изменения.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе представлен обзор основных механизмов излучательной межпримесной донорно-акцепторной и экситонной рекомбинации. Особое внимание уделено мелким примесным центрам, когда энергии ионизации доноров и акцепторов невелики. В этом случае примесные центры можно рассматривать как водородоподобные и описывать их с помощью метода эффективной массы. Приведены основные выводы теории плазменного экранирования и оценки величины концентрации носителей, когда проявляется эффект плазменного экранирования. В третьем разделе приведены сведения об основных свойствах пористого кремния.

Во второй главе описаны экспериментальные исследования фотолюминесценции образцов ОаР. В первом разделе сообщается о трансформации спектров фотолюминесценции при возбуждении непрерывным маломощным гелий-кадмиевым лазером. При увеличении оптического возбуждения вклад коротковолновой полосы в спектре увеличивается. Для объяснения этого эффекта во втором разделе предложена теоретическая модель, выводы из которой гласят, что эффективность захвата свободных носителей больше для донорно-акцепторных пар с большим размером пары, что согласуется с экспериментальными данными. В третьем разделе обсуждаются спектры фотолюминесценции ОаР при возбуждении импульсным мощным азотным лазером. Обнаружен эффект увеличения вклада коротковолновых полос, вызванных экситонной рекомбинацией, при увеличении оптической накачки. При уменьшении возбуждения спектр фотолюминесценции становится похожим на спектр, полученный при возбуждении гелий-кадмиевым лазером.

В третьей главе приведены сведения о трансформации спектров электролюминесценции светодиодов на основе ОаР (2п-0) при уменьшении температуры от 300К до 78К и токе 10 тА, вызванной изменением вкладов различных видов излучательной рекомбинации с преобладанием экситонной при Г=300К и донорно-акцепторной при Г=78К. Также были проведены измерения спектров при Т=78К, 90К в диапазоне токов 5-35шА. При увеличении тока более 10 тА, когда на вольтамперной характеристике наблюдается область отрицательного сопротивления, полоса с максимумом /гт^2.19эВ постепенно исчезала и вместо нее возникали две новые полосы А>«2.24эВиАу=2.29эВ.

В четвертой главе изложены результаты исследований излучательной рекомбинации эпитаксиальных пленок СаАя при различных температурах и разных интенсивностях оптического возбуждения с помощью гелий-неонового и азотного лазеров. Установлено, что при температуре жидкого азота спектры фотолюминесценции наблюдаются при возбуждении образцов только азотным лазером. При гелиевых температурах в спектрах обнаружены резкие линии, обусловленные аннигиляцией связанных экситонов, при возбуждении гелий-неоновым лазером. При накачке азотным, более мощным лазером резкие линии исчезают и спектры уширяются в несколько раз. Это связано с тем, что проявляется эффект плазменного экранирования, при котором экситоны не образуются, т.к. дебаевский радиус свободных носителей становится меньше боровского радиуса экситонов.

В пятой главе приводятся спектры фотолюминесценции и электролюминесценции пористого кремния. Положение максимума спектра фотолюминесценции при уменьшении температуры от комнатной до азотной смещается в коротковолновую область, а его интенсивность возрастает. Металлизация поверхности пористого кремния позволила обнаружить электролюминесценцию, которая в чистом пористом кремнии не наблюдалась.

Основные результаты работы докладывались на II Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права", Москва, 1999; на 55-ой Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2000; на научных семинарах ИРЭ РАН и МГАПИ.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ [40, 41, 45, 54, 57, 60,73].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ниже перечислены основные результаты, полученные в работе:

1. Создана аппаратура для исследования излучательной рекомбинации в широком диапазоне температур от ЗООК до 77К и от 4.2К до 20К в области длин волн излучения от О.Змкм до 1 мкм.

2. Экспериментально установлено, что интенсивность излучательной рекомбинации в СаР зависит от энергии излучаемых фотонов. Интенсивность межпримесного излучения меняется с изменением интенсивности возбуждения. При этом интенсивность излучения уменьшается сильнее для донорно-акцепторных пар с меньшим размером пар г.

3. Обнаружено, что при оптической накачке мощным лазером в спектре излучения СаР, кроме межпримесной излучательной рекомбинации, наблюдается более коротковолновое "краевое" излучение, механизм которого отличается от механизма межпримесной рекомбинации.

4. Предложена и рассчитана теоретическая модель излучательной рекомбинации, учитывающая зависимость эффективности захвата свободных носителей от размера пары г. При увеличении г эффективность захвата возрастает.

5. Обнаружена трансформация спектров электролюминесценции светодиодов на основе СаР при: 1) изменении температуры и токах 510 тА с энергетическим сдвигом максимума зеленой полосы;

2) изменении тока в области отрицательного сопротивления со сдвигом в область коротких длин волн при возрастании тока от ЮтА до 40тА. Предложено объяснение этой трансформации.

6. Показано, что при оптическом возбуждении ОаАя, охлажденного до гелиевых температур, когда концентрация свободных носителей

I/ -> становится больше ~2* 10 см" , создаются условия, при которых

76 экситоны, связанные с нейтральными или ионизованными донорами, не образуются из-за эффекта плазменного экранирования.

7. Экспериментально показано, что уменьшение интенсивности люминесценции пористого кремния при увеличении температуры от 77К до ЗООК имеет, в основном, линейный характер.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность своим научным руководителям профессору Беланову A.C. за общее руководство в работе и при подготовке диссертации и доценту Гайворону В.Г. за постоянное внимание и опеку, д.ф.-м.н. Бару В.Г., д.ф.-м.н. Огрину Ю.Ф., к.ф.-м.н. Биленко Д.И. за теоретические консультации и обсуждение результатов, а также Колмаковой Т.П. и Телегину A.A. за предоставление образцов фосфида галлия и арсенида галлия.

1. Wolff P.A., Hebert R. А., Broder J.D. Phys. Rev., 100, 1144 (1955).

2. Bratfnstein R. Phys. Rev., 99, 1892 (1955).

3. Canham L T. Appl. Phys. Lett., 57,1046 (1990).

4. Огрин Ю.Ф., Луцкий B.H, Елинсон М.И. // Письма в ЖЭТФ. 1966.Т.З. В.З. С.С. 114-118.

5. Lorenz M.R., Pettit G.D., Tayler R.C. Phys. Rev., 171, 876 (1968).

6. Gray A.M. Phys. Status Solidi, 37, 11 (1970).

7. Пихтин A.H., Яськов Д.А. // ФТТ. 1969. Т.П. №.8. с.2213.

8. Patrick L. Phys. Rev. Lett., 18, 45 (1967).

9. Prener J.S., Williams F.E. J. Chem. Phys. Solids, 25,361 (1956).

10. Thorfias D.C., Hopfield J J., Colbow K. Recombination Radiation in Semiconductors, Paris, Dunod, p. 6.7 (1965).

11. Thomas D.G., Gershenzon M., Trumbore F.A., Phys. Rev., A113, 269 (1964).

12. Thomas D.G., Hopfield J.J., Augustyniak W.W. Phys. Rev., 140, 202 (1965).

13. Гайворон В.Г., Сидоров В Л // ФТП. 1970. Т.4. с.702.

14. Morgan T.N. Phys. Rev. Lett., 21, N12, (1968).

15. Morgan T.N., Plaskett T.S., Pettit G.D. Phys. Rev., 180, N3, 845 (1969).

16. Williams F. Phys. Stat. Sol., 25, N2, 493 (1968).

17. Nelson D., Rodgers K.F. Phys. Rev., 140, 1667 (1965).

18. Maeda K. J. Phys. Chem. Sol., 26, 595 (1965).

19. Shaffer J., Williams F. Proc. 7-th Int. Conf. Phys. Semicond., 811. Dunod,, Paris, 1964.

20. Hopfield J.J. Proc. 7-th Int. Conf. Phys. Semicond., 725. Dunod, Paris, 1964.

21. Lorens M.R., Morgan T.N., Pettit G.D. Proc. 9-th Int. Conf. Phys. Semicond., 495. Leningrad, 1969.

22. Welker H. Physica, 20, 893 (1954).

23. Hicks H.G.B., Manley D.F. Solid State Commun., 7, 1463 (1969).

24. Southgate P.D. J. Appl. Phys., 40, 5333 (1969).

25. Маделунг О. // Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. "Мир", Москва, 1967.

26. Nathan M.I., Burns A.G. Phys. Rev., 129, 125 (1963).

27. Cassella R.G. J. Appl. Phys., 34, 1703 (1963).

28. Summers C.J., Dingle R., Hill D.E. Phys. Rev., Bl, 1603 (1970).

29. Gilleo M.A., Bailey P.T., Hill D.E. Phys. Rev., 174, 898 (1968).

30. Bogardus E.H., Babb H.B. Phys. Rev., 176,993 (1968).

31. Shah J., Leite R.C.C., Nahory R.E. Phys. Rev., 184, 811 (1969).

32. Prokes S.M. J. Appl. Phys., 7, N1 (1993).

33. Бреслер M.C., Яссиевич // ФТП. 1993. T 27. с.871.

34. Гайворон В.Г., Огрин Ю.Ф., Колмакова Т.П., Сидоров В.И. // Письма в

35. ЖТФ. 1994. Т.20. В.8. с.70-73.

36. Копаев Ю.В., Молохов С.Н., Назин С.С. // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.65.1. В. 12. с.696-700.

37. Кашкарев П.К., Константинова Е.А., Петрова С.А., Тимошенко В.Ю.,

38. Юнович А.Э.//ФТП. 1997. Т.31. №6. с.745-748.

39. Papaconstantopouls D.A. et al. Phys. Rev. B24, 463 (1985).

40. Bomchil G. et al. Proc. Eur. MRS Meeting. 4, 403 (1985).

41. Dean P.G., Faulkner R.A. Appl. Phys. Lett. 14, N7,210 (1969).

42. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Вопросы прикладной физики. Саратов.1998, Вып.4.

43. Беланов А.С., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Вопросы прикладной физики. Саратов. 1999, Вып. 5.

44. Wight D.R. J. Phys. (Proc. Phys. Soc.), CI, N6, 1759 (1968).

45. Субашиев B.K., Чаликян Г.A. // Труды IV Межд. конф. по физ. полупр., Москва, 1968, т.1, стр. 397.

46. Thompson A.G., Cardona М., Shaklee K.L., Wooley J.C. Phys. Rev., 146, 601 (1966).

47. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №2. Москва. 2000.

48. Wiley J.D. J. Phys. Chem. Solids, 32, 2053 (1971).

49. Saul R.H. J. Appl. Phys., 40,4979 (1969).

50. Берг А., Дин П. // Светодиоды. "Мир", Москва, 1973.

51. Elliot R.J. Phys. Rev., 108, 1384 (1957).

52. Knox R.S. Theory of excitons, Solid St. Phys. Suppl., 5 (1963).

53. Dimmock J.C. Semicond. Semimetals, 3, 259 (1967).

54. Зинец O.C., Сучаков В .И. //ФТТ. 1969. Т. 11. №1. с. 243.

55. Sharma R.R., Rodriguez S.S. Phys. Rev., 153, N3, 823 (1967).

56. Беланов A.C., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Труды II Международной научно-практической конференции. Москва. 1999. с.48.

57. Toshihary К., Susumu К. Appl. Phys. Lett., 43, N5, 490 (1983).

58. Ashley K.L., Milnes A.G. J.Appl. Phys. 35, 360 (1964).

59. Беланов A.C., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Труды 55-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва. 2000. с. 170.

60. Cuthbert J.D., Henry С.Н, Dean P.J. Phys. Rev. 170, 739 (1968).

61. MaedaK.Jpn. J.Appl. Phys., 9, N1,71 (1970).

62. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Сборник трудов студенческого научного общества МГАПИ №1. Москва. 1999. С. 53.

63. Gershenzon М. Luminescence of inorganic solids, Ed. P. Goldberg, New York, Academic Press, 603 (1966).

64. Sarace J. et al. Phys. Rev., 137, A626 (1965).

65. Wilson D. Appl. Phys. Lett., 3,127 (1963).

66. Kiinzel I., Ploog K. Appl. Phys. Lett., 37,416 (1980).

67. Roth A.P., Goodchild R.G., Charbonneau S., Williams D F. J. Appl. Phys., 54, 3427 (1983).

68. Roth A.P. Charbonneau S., Goodchild R.G. J.Appl. Phys., 54, N9, 5350 (1983).

69. Gobi E., Herzog H, Pilkuhn M.H., Zschauer K.H. Solid Stat. Comm., 13, 719 (1973).

70. Johnson W.D. Phys. Rev, B6, 1455 (1972).

71. Stradling R.A, Eaves L, Hoult R.A, Miura N. Gallium arsenide and relatedcompounds, Institute of Bristol. 65 (1973).

72. Wolfe C.M, Korn D.M., Stillman G.E. Appl. Phys. Lett, 24, 78 (1974).

73. Rossi J.A, Keune D.K, Holonyak N, Dapkus P.D., Burnham R.D. J. Appl. Phys, 41, 312 (1970).

74. Wolff P.A. Phys. Rev, 126, 405 (1962).

75. Гайворон В.Г, Салимзянов P.P. // Сборник трудов студенческого научного общества МГАНИ №1. Москва. 1999. С. 56.

76. Колмакова Т.П., Бару В.Г, Малахов Б.А, Ормонт А.Б. Терешин С.А. // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т.57. В.7. с.398.

77. Капитонова JI.M, Лебедев A.A., Ременюк А.Д. Рудь Ю.В. // Письма в1. ЖТФ. 1993.Т.19.В.13.С.31.

78. Гурвич A.M. // Введение в физическую химию кристаллофоров. "Высшая школа", Москва, 1977.

79. Brandt M.S., Fuchs H.D, Stutsmann M, Weber J, Cardone M. Sol. Stat. Comm., 81, N4, 307 (1992).

80. Ruhter et al. IEEE Electron. Device Lett, 12, 691 (1991).

81. Futagi T. et al. J. Appl. Phys, 31, 616 (1992).

82. Steiner P. et al. Jpn. J. Appl. Phys, 33, 1990 (1994).