Оптическое поглощение на экситонах, связанных на изоэлектронных ловушках азота и висмута в фосфиде галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ . ,.,

ГЛАВА. I. ЗОННАЯ СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

ФОСВДА ГАЛЛИЯ.

1.1, Зонная структура и основные физические свойства фосфида галлия • •••••••••

1.2, Оптическое поглощение фосфида галлия вблизи края фундаментальной полосы ,,••»•••

1.2.1. Спектр поглощения в широком интервале энергий фотонов

1.2.2. Структура непрямого края собственного поглощения • ,,••••,,,••«

1.3, Влияние изоэлектронных примесей на оптическое поглощение с участием свободных экситонов

1.4, Оптические переходы с участием экситонов, связанных на изоэлектронных примесях * •

1.4.1. Оптическое поглощение фосфида галлия, легированного азотом , *

1.4.2. Оптическое поглощение фосфида галлия, легированного висмутом

1.5, Выводы. •••••••••.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТМЬНАЯ УСТАНОВКА. И ОБРАБОТКА.

РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

2,1, Экспериментальная установка • •••••••

2,1,1, Оптическая часть ••,.•••,««

2.1.2. Электрическая схема

2.1.3. Установка для исследования оптических спектров при одноосной деформации ,*••••••.»•*.

2.2. Приготовление образцов

2.3. Обработка результатов измерений • .*••

2.4. Быводы .,.,••••,

ГЛАВА. 3. ЭКСИТОНЫ, СВЯЗАННЫЕ НА И30ЭЛЕКГР0НН0М

АКЦЕПТОРЕ-АЗОТЕ В ФОСВДЕ ГАЛЛИЯ.

3.1. Общая характеристика спектра поглощения фосфида галлия в интервале энергий

2,3 - 2,45 эВ.

3.2. Оптическое поглощение с участием экситонов, связанных на одиночном атоме азота в GaP *•*••»,.•••««»

3.2.1. Возбужденные состояния экситона

3.2.2. Фононные повторения Aw-линии связанного экситона •

3.3. Оптическое поглощение на NNl -парах в ОаР

3.3.1, Спектр поглощения «••••»•».

3.3.2, Сечение оптического поглощения на связанных экситонах

3.4. Выводы • ••.•••.«••«•.

ГЛАВА 4. ЭКСИТОНЫ, СВЯЗАННЫЕ НА И30ЭЛЕКГР0НН0М

ДОНОРЕ-ВИСМУТЕ В ФОСВДЕ ГАЛЛИЯ.

4,1. Оптическое поглощение в Ga.Pl В:

Общая характеристика) ••••*•••«••

4,2. Долинно-орбитальное расщепление основного состояния экситона

4.3. Возбужденные состояния связанного экситона •

4.4. Выводы

Экситонные эффекты, как известно, оказывают важное, а в ряде случаев - решающее влияние на оптические процессы в полупроводниках. Свободные экситоны к настоящему времени измены довольно хорошо как экспериментально, так и теоретически, О связанных экситонах этого сказать нельзя. Вероятно, проблема связанных экситонов является частью общей проблемы глубоких примесных состояний в полупроводниках, теория которых всё ещё далека от своего завершения. Наибольший интерес здесь представляют экситоны, связанные на изоэлектронных ловушках в полупроводниках с непрямой структурой энергетических зон, поскольку они существенно повышают эффективность излучательной рекомбинации в таких материалах.

Применение техники модуляционной спектроскопии, при которой регистрируется не сам спектр, а его производная, например, по длине волны, значительно расширяет возможности оптических методов исследований, в том числе исследования экси-тонных состояний.

Выбор в качестве основного объекта исследований настоящей работы фосфида галлия, легированного изоэлектронными примесями азотом и висмутом, определяется несколькими обстоятельствами.

Во-первых, благодаря широкому применению в оптоэлектро-нике, технология фосфида галлия сравнительно хорошо развита и позволяет получать высококачественные кристаллы и эпитакси-альные слои, пригодные для тонких физических экспериментов.

Во-вторых, фундаментальные свойства Спа.Р изучены весьма тщательно и основные параметры материала надежно оцре-делены, что дает возможность анализировать новые явления с большой степенью достоверности.

В-третьих, азот и висмут в &а.Р являются эффективными изоэлектронными ловушками, на которых образуются связанные экситоны. При этом процессы образования экситонов, связанных на азоте и висмуте, должны быть различны, поскольку электроотрицательность азота меньше, а висмута - больше электроотрицательности замещаемого ими атома фосфора»

В-четвертых, излучательная рекомбинация экситонов, связанных на атомах азота в 0<хР используется для повышения эффективности светодиодов, работающих в зеленой области спектра и выпускаемых в промышленном масштабе«

Таким образом, исследование оптических свойств экситонов, связанных на изоэлектронных центрах в фосфиде галлия, представляет собой актуальную как с научной, так и с прикладной точек зрения задачу.

Настоящая диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской темы, выполняемой по координационному плану АН СССР в Проблемной лаборатории электрофизических процессов в диэлектриках и полупроводниках ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина).

Целью работы являлось изучение особенностей энергетического спектра экситонов, связанных на изоэлектронных ловушках азоте и висмуте в фосфиде галлия, и определении основнызс параметров этих центров.

Научная новизна работы состоит в: - обнаружении акцептороподобных возбужденных состояний экси-тона, связанного на изолированном атоме азота в &аР и в экспериментальном доказательстве того, что азот в фосфиде галлия является изоэлектронным акцептором;

- экспериментальном наблюдении и расшифровке структуры в спектре поглощения экситонов, связанных на атомах виаыута в и в подтверждении того, что висмут в фосфиде галлия является изоэлектронным донором;

- определении энергии фонона, локализованного на атоме ¡азота в решетке ;

-- определении величины долинно-орбитального расщепления основного состояния экситона, связанного на висмуте • Практическая ценность работы заключается в:

- определении интегральных сечений поглощения для экситонов, связанных на парах атомов азота;

- построении диаграммы для определения концентрации азота в &аР по спектрам оптического поглощения.

Результаты исследований используются в Проблемной лаборатории электрофизических процессов в диэлектриках и полупроводниках ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина) для контроля качества и определения содержания азота в объемных кристаллах и эпи-таксиальных слоях фосфида галлия.

Совокупность представленных в диссертации экспериментальных данных и их теоретический анализ позволяют сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

1. Азот в фосфиде галлия является изоэлектронным акцептором, и энергии и 35 возбужденных состояний экситона, отсчитанные от основного 15-состояния, составляют 18,2 и 22,4 мэВ.

2. Висмут в фосфиде галлия является изоэлектронным донором^ энергии возбужденных состояний экситона, отсчитанные от основного 15 -состояния, составляют 37,6; 45,9; 50,9; 54,3 и 56,4 мэВ. Энергия ионизации электрона равна 62 мэВ. Эти значения хорошо укладываются в донороподобную схему возбужденных состояний, рассчитанную с учетом сложного "двугорбого" строения зоны проводимости &Q.P .

3. Величина долинно-орбитального расщепления основного состояния экситона, связанного на висмуте в G-clP , равна 19,2 мэВ.

По своей структуре диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе на основе литературных данных рассмотрены особенности зонной структуры фосфида галлия и его оптические и электрофизические свойства. Делается вывод, что фосфид галлия, легированный азотом и висмутом, является модельным объектом для изучения особенностей энергетического спектра связанных экситонов в полупроводниках,, Во второй главе описана методика измерений спектров оптического пропускания и дифференциальных спектров поглощения. Приведены технические характеристики используемой аппаратуры, особенности проведения экспериментов и методика обработки экспериментальных данных. Третья глава посвящена анализу экспериментальных результатов по спектрам поглощения экситонов, связанных на изоэлектронной примеси азоте в фосфиде галлия, а четвертая - по оптическому поглощению экситонов, связанных на атомах висмута. В заключении сформул*фованы основные результаты и выводы по работе в целом.

Основные результаты работы сводятся к следующему,

1. Экспериментально обнаружены акцептороподобные возбужденные состояния экситона, связанного на изолированном атоме азота в фосфиде галлия, и доказано, что азот в G&P является изоэлектронным акцептором» Энергии 2.S и возбужденных состояний экситона, отсчитанные от основного ^-состояния, составляют (18,2 + 0,3) мэВ и (22,4 + 0,9) мэВ соответственно.

2. На основании пьезооптических измерений определена энергия фонона, локализованного на атоме азота в решетке

GaP , равная (115 + 0,3) мэВ.

3. Установлено, что интегральные сечения оптического поглощения для экситонов, связанных на парах атомов азота в

G-ctP , по порядку величины близки к сечению поглощения для экситона, связанного на одиночном атоме азота, и составляют

Ю""15 см2мэВ,

4. Рассчитана диаграмма для практического определения концентрации азота в GclP по спектрам оптического поглощения,

5. Впервые зарегистрирована в оптическом поглощении и расшифрована структура возбужденных состояний экситона, связанного на висмуте в фосфиде галлия. Подтверждено, что висмут в GaP является изоэлектронным донором. Установлено, что долинно-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению основного состояния на величину (19,2 + 0,7) мэВ»

6. Экспериментально определены следующие параметры энергетического спектра экситона, связанного на висмуте в GaP :

- энергии 15 -состояний

15СА)- (119 + 0,3) мэВ, 1Б(Е)~ (99,8 ± 0,6) мэВ;

- энергии возбужденных состояний, отсчитанные от основного состояния 15 С А) :

- (37,9 + 0,7) мэВ, (35,2 + 0,8) мэВ, 3$ - (45,9 + 0,5) мэВ, Зо(0 - (50,9 + 0,7) мэВ, Ц-Ь - (54,3 + 0,7) мэВ, ас(о - (56,4 + 0,7) мэВ;

- энергия ионизации электрона

Е- = (62 + 2) мэВ. 7, Определена энергия фонона, локализованного на атоме висмута в решетке 0&Р » равная (25,2 + 0,3) мэВ,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Оптические процессы в полупроводниках. Перевод с англ» под ред, Ж.И.Алферова и В.С.Вавилова. - М.: Мир, 1973. - 456 с.

2. Физика полупроводников. Издательство университета имени Ким Ир Сена (на корейском языке), 1973, - 416 с.

3. Мосс Т,, Баррел Г,, Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлек-троника, М,: Мир, 1976, - 431 с.

4. Пихтин А,Н, Физические основы квантовой электроники и опстоэлектроники, М,: Выс,школа, 1982, - 302 с.

5. Seil D.D., Lawaetz P. Iiew analysis of direct excitDiv . transitions: Application to GaP. r- Phys. Rev. Letters, 1971, V.26, IT 6, p. 311-314

6. Копылов А,А, "Двугорбая" структура и параметры Х-минимума3 5зоны проводимости кубических полупроводников А В . ФТП, 1982, с.16, № 12, с.2141-2145.

7. Копылов A.A., Пихтин А.Н. Непараболичность зоны проводимости и структура донорных центров в GaP , ФТП, 1977, т.И, № 5, с.867-878,

8. Юнович А.Э, Излучательная рекомбинация и оптические свойства фосфида галлия, В сб.: Излучательная рекомбинация в полупроводниках. - М,: Наука, 1972, с.224-304,

9. Глинский Г.Ф., Копылов А. А. Дисперсия непрямых экситонов в кубических кристаллах: полупроводниковые соединения А3В5. ШТТ, 1981, т.23, № II, с.3238-3245.

10. Бир Г.Л., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. М.: Наука, 1972. - 584 с,

11. Пихтин А.Н., Яськов Д.А. Край собственного поглощения фосфида галлия. ШТ, 1969, т.П, № 3, с.561-566.

12. Dean P.J., Kamfcnsky G., Zetterstrom R.B. Intrinsic optical absorption of gallium Phosphide between 2.33 and

13. ЗИ2 eV. J.Appl.Phys., 1967, v.38, Ж 9, p.3551 - 3556.

14. Лупал M.B,, Пихтин А.Н. Тонкая структура бесфононной компоненты края поглощения фосфида галлия. Ш1, 1981, т.15, № 4, с.822-825.

15. Лупал М.В., Пихтин А.Н, Непрямые бесфононные переходы ^15 в твердых растворах GaAs, Р^. * $ТП, 1980, т.14, № II, с.2178-2183.

16. Пихтин А.Н., Разбегаев В,Н., Яськов Д»А. Влияние изменений параметров зонной структуры на спектр собственного поглощения GaAs • ~ ®ГП, 1973, т.7, № 3,с.475-479.3>

17. Dean P.J., Thomas ,£.G., Intrinsic adsorption-edge spectrum of gallium phosphide. Phys.Rev., 1966, v.150, U 2,p.690.

18. Glinskii G.H., Kopylov A.A., Pikhtin A.N. Indirect exciton dispersion in III-V semiconductors: nCamel; s back" in GaP.-Solid St.Commun, 1979, v. 30, 3J10, p. 631.

19. Берндт В., Копылов A.A., Пихтин А.Н. Возбужденные состояния акцепторов в фосфиде галлия. Письма в ЖЭТФ, 1975, т.22, № II, с.578-580.

20. Пихтин А.Н. Оптические переходы в полупроводниковых твердых растворах. ФГП, 1977, т.П, № 3, с.425-455.

21. Faulkner R.A., Toward a Theory of Isoelectronic Impurities in Semiconductors.Phys.Rev.,1968, v.175r N3, p.991 1009*

22. Гарбузов Д.З,, Копьев П,С., Мишурный В.А, Свободный эк-ситон в спектрах излучения нелегированного Gap , а также GaP: In и GaP: A1 . Ш1, 1974, т.8, № 2,с,418-421.

23. Dean P.J., Recombination Processes Accociated with "Deep States" in Gallium Phosphide.-J.Luminei^nce, 1970, v.1, N 2, p.398 419.

24. Hop^ie^d J.J., Dean P.J.,Thomas D.G. Interference between Intermediate States in the Optical Properties of Nitrogen-Doped Gallium Phosphide. Phys#Rev., 1967, v.158, N 3, p.748 - 755.

25. Берг А., Дин П. Светодиоды. M.: Мир, 1979, с.94-290.

26. Lightoulers Е.С., North J.С. and O.G.borimor. Nitrogen concentration in GaP measured by optical absorption and by Proton-induced nuclear reactions.-Journal of Applied Phys., 1974, v.45, Ж 5, p.2191-2200.

27. Пихтин A.H. Оптические явления в полупроводниковых твер1. Q gдых растворах А°В . Докторская диссертация, 1978, ЛЭТИ.

28. Landalt-Bornstein. Numerical Bata and Functional Relatio-ships in Science and Technology. New Series. Edit: K.-H. Hellwege. Group IV Elements and III-V Compounds, Edited by O.Madelung. Springer-Ye Ylag.Berlin.Heiledherg. New York 1982.

29. Дин П.Дж., Катберт Дж.Д, Линч Р. Т. Излучательная межпримесная рекомбинация с участием изоэлектронных ловушек в фосфиде галлия, легированном висмутом» Труды IX международной конференции по физике полупроводников, Москва, 1968, т,2, с.1150-1156,

30. Dean P.Y., Cathbert Y.D,, Lynch R.Т. Interimpurity Recombinations involving the isoelectronic trap Bismuth in Gallium Phosphide.-Phys.Rev,,1969,v.179,N3,p.754-763.

31. Кузнецов В»В,, Пихтин А,Н,, Разбегаев В,Н., Сорокин B.C. Высокотемпературная люминесценция GaP( Bi ; н) , ФТП, 1980, т.14, № 4, с.709-714,

32. Trumbore Р.А., Gershenzon Ж. and Thomas p.G. Luminescence and the isoelectronic substitution of Bismuts for Phosphorus in gallium phosphide. Applied Phys.Letters, 1966, v.9, U 1, p*4 - 6.

33. Dean P.J., FaulkneY R.A. Zeeman Effect and Grystal-Field Splitting of excitons Bound to Isoelectronic Bismuth in

34. Gallium Phosphide.-Phys.Rev., 1969, v.185, N 3, р.10б4 1069.

35. Onton A. and Morgan Т.Н. Effect of uniaxial stress on exsitons Bound to Bismuth in GaP.-Phys.Rev., 1970,v.1, H 6, p.2692 2604.

36. Кузнецов В,В., Пихтин A.H,, Попов В.А., Разбегаев В.Н. Связь спектров люминесценции и фотоответа GaP: Bi р-п-структур. ®ГП, 1981, т.15, № 5, с.994-996,

37. Кардона М. Модуляционная спектроскопия, Перевод с англ. под ред. А.А.Каплянского. - М,: Мир, 1972, - 416 с.

38. Лупал М.В,, Пенцак С,, Шамрай В.В, Исследование кинетических особенностей легирования фосфида галлия азотом, -Изв. ЛЭТИ, 1979, в,250, с.11-19.

39. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1977, - 365 с.

40. Осипов Ю.В. Методика изготовления и свойства тонких монокристаллических слоев полупроводников. Оптико-механическая промышленность, 1967, № б, с.50-54.

41. Пихтин А.Н., Прокопенко В.Т., Рондарев B.C., Яськов А.Д. Рефракция света в фосфиде галлия. Журнал Прикладной спектроскопии, 1977, т.27, № 2, с.308-314,

42. Cohen Е,, Sturge M.D, Excited states of excitons bound to nitrogen Pairs in GaP.- Phys.JRev. В., 1977, v. 15, H 2, p.1039 1051.

43. Глинский Г.Ф,, Логинова Т.Н. Теория акцептороподобных состояний экситонов, связанных на азоте в GaP * ФТТ, 1984, т, , № 10, с,3194-3196,

44. Филипе Дж. Экситоны» В книге "Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения А^В^)" под ред. Уиллардсона Р. и Вира А,>- М,: Мир, 1970, с.278,

45. Hopfield J.J., Dean P.Y., Thomas P.G. Interference between Intermediate States in the Optical Properties of Hitrogen-Poped Gallium Phosphide. Phys.Rev., 1967, v.158, H 3, p.748 - 755.

46. Лупал M.B., Пак Чун Вэ» Собственное поглощение GaP в интервале энергий фотонов 2.0-3,0 эВ, Изв. ЛЭТИ, 1984, в.338, с,50-53.

47. Thomas D.G., Hopfield J.J. Isoelectronic traps due to nitrogen in GaP. Phys.Rev., 1966, v.150, H 2, p.680.

48. Гиршфельдер Дж,, Кертис Ч,, Берд Р, Молекулярная теория газов и жидкостей. Перевод с англ. - М,, 1961, с,748,

49. Пихтин А.Н., Яськов Д.А, Дисперсия коэффициента преломления света в фосфиде галлия» ®ГТ, 1967, т.9, № I,с,145-149.

50. Pihtin A.N. Proс. Int.Conf. "Mixed Crystals-75 " 30. Reinhardsbrunn, 1975»

51. Faulkner R.A., Dean P.I. Electronic structure of ground and excited states of isoelectronic traps. J. of Luwin, 1970, v»1/2, p.552 561.

52. Thuselt F. and Kreher K. Energies of electrons bound to nitrogen Pairs in GaP. Solid State Commun, 1980, v.36, p. p.563 566.

53. Thomas D.G., Hopfield J.J., Lynch R.T., "Isoelectronic donors and acceptors. Phys.Rev., Lett., 1966, v.17,p.312 315.

54. Гросс Е.Ф., Недзвецкий Д.С. Резонансное и нерезонансное излучение центров в кристалле GaP и их взаимодействие с фононами решетки. ДАН СССР, 1962, 146, № 5, с.1047-1050»

55. Chang Y.C., and McGill Т.О. Theory of jionor stats in GaP: The role of the camel's RACK. Solid St.Commun., 1980,v. 33, PL. 1035 1039.

56. Cathbert Y.D., Thomas D.G. Fluorescent Decay Times of Excitons Bound to Isoelectronic Traps in GaP and ZnTe. Phys.Rev., 1967, v.15, N«3, p.763 771.