Влияние композиционной зависимости параметров переноса и нелинейности профиля состава на люминесценцию варизонных твердых растворов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

' ХЕРСОНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

уда 535.37: 621,382

БЗД1ЛРСКИЙ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ КОШОЗИЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЗЮСА И НЕЛИНЕЙНОСТИ ПР05ИЛЯ СОСТАВА НА ЖШЕЩЕНЩ) ВАРИЗОШШХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ

ul.04.07 - Зизика твердого тела АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени каедццота ф:!зга:о-!.;атемаг!газск1я наузс

Херсон - 1992

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников радиофизического факультета Киевского университета имени Тараса Ызвчеш:

Научный руководитель доктор физико-матеыатически

наук, профессор Пека Г.П.

Официальные оплоненти доктор фгаико-ыатематичзски

наук, профессор Дмитрук Н.Л

доктор физико-иатематнчзскг ноук, профессор Бакенов В.К

.Ведущая организация - Одесский государственный университет мм. И.К. Мечникова

.Защита состоится О&УЗнХ&'о/^ 1992г. в 13°° час.

ЩаЪ.

го сов!

на заседании Спецпалглированногб совета К 06й.48.02 в Херсонском шадустрпалыюи институте ( 32500В, г. Херсон, Бсрпслсшекоо шоссе, 24 ).

С диссертацией мх-но ознысоидтьсл с библиотеке Херсонского ыдастрпсльного института«

Автореферат разослал " Ю " _ К32г.

Учений секретарь Спсцлалкэкровшюго совета кандидат фгл1:::о-1;ате^тпх;зс;:1с: ^

наук, доцонт "^/¿Млф Б.В.Лисовой

: ■ ! г

V ; ;.. . . ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. Одним из перспективных неправлений при разработке микроэлектронных функциональных приборов является использование в качестве активных областей химически неоднородных твердых растворов ( вариэонных слоев ). Это обусловлено тем, что наличие возможности управления пространственным изменением состава в процессе выращивания позволяет направленно изменять электрические, оптические и иные физические свойства подобных слоев. В воризонных структурах возникает, кроме того, целый ряд новых, специфических, не свойственных гомозонным структурам эффектов, что позволяет создавать качественно новые функциональные приборы. Указанные широкие экспериментальные возможности обуславливают интерес к совершенствованяо существующей модели переноса и рекомбинации неравновесных носителей заряда ( ННЗ ) в варизонных структурах. Интерес к теоретическим разработкам стимулируется и результатами последних экспериментальных исследований физических свойств неоднородных твердых растворов. Так, целый ряд экспериментальных данных ( в частности, результаты исследований трансформации спектров фотолюминесценции при изменении условий рекомбинации НИЗ на узкозонной поверхности структуры ) не мскет быть 'интерпретирован в рамках существующей модели без привлечения дополнительных предположений. С другой стороны, результаты экспериментальных исследований свойств гомозонных твердых растворов свидетельствуют о существовании композиционных зависимостей параметров переноса, т.е. зависимостей подшпностл и времени жизни носителей от состава раствора. В воризонных структурах, в которых состав зависит от координаты, указанные зависимости определяют пространственную неоднородность параметров переноса и рекомбинации. Последнее обстоятельство не учтено в существующей модели и его учет требует специального рассмотрения. Композиционная зависимость параметров мелет трансфорг.Пфовать координатное распределение ИВ, которое определяет измеряете характеристики етминес-ценции и других неравновесных явлений. Недостаточно внимания уделено тагске изучэшго влияния профиля, а тзгле флухтуаций состава твердого раствора и связанных с этим макроскопических флуктуация потенциала на перенос ИГО з градиентных структурах. Такие исследования представляя?? на только самостоятельней интерес, но и всп-ш для опти?:изации параметров оптсэлектрс-'тгх приборов ня осногз

3

варизонных структур.

Возможным направлением улучшения параметров быстродействию щих предпробойных электролиминесцентных диодов является использ вание активных областей на основе твердых растворов переменного состава. Это обуславливает необходимость разработки методики ра чета спектров предпробойной электролюминесценции в варизонных ,п одных структурах.

Целью диссертационной работы является исследование влияния композиционных зависимостей подвикности и времени жизни, нелине ноет" профиля ширины запрещенной зоьы и флуктуации состава на г ренос неравновесных носителей заряда и формирование спектров фс то- и электролюминесценции варизонных структур, а также исследс вание особенностей формирования спектров предпробойной электро; шнесценции обратносмещенных варизонных диодных структур.

Научная новизна.

1. Впервые исследовано влияние композиционных зависимосте) подвижности и времени жизни на перенос ННЗ в варизонных структ; pax. Получены аналитические выражения и удобные апроксимационнз зависимости пространственного распределения концентрации ННЗ п] экспериментально наблюдаемых в твердых растворах А^В^ и композиционных зависимостях, которые позволяет проанализировав влияние встроенного квазюлектрического поля и параметров комш зиционных зависимостей на эффективную длину переноса.

2. Впервые показано, что композиционная зависимость подвк иости приводит к немонотонному изменении эффективной длины пер> носа при изменении градиента ширни запрещенной зоны. Установл но качественное и количественное согласие полученных расчетных закономерностей и результатов экспериментальных исследований п раз л ич ilk тегаературах для AixGa,_xAs структур.

3. Впервые установлено, что в структурах с монотонно изме ющиьися пиркной запрещенной зоны и величиной встроенного квази электрического поля возможно немонотонное ( с локальным максим ыом в объеме ) цространственное распределение концентрации НШ Проанализированы условия возникновения локального максимума и его проявление в спектрах люминесценции.

4. Впервые исследовано влияние крупномасштабных пространс венных флуктуаций состава на перенос ННЗ в варизонных структур Устсноатено, что пространственные флуктуации с-окслериментальн ноблядвешми в соединениях А%5 амплитудами ыогут приводить к

4

явственному уменьшен™ эффективных длин переноса и ухудшения шеряевдс параметров оптоэлектронных приборов.

5. Впервые установлено, что наличие крупномасптабных про-гранственных флуктуаций, не изменяя характерной для варизонных груктур монотонной зависимости эффективньк длин переноса от гра-<ента ширины запрещенной зоны, в наибольшей степени уценьшаот йективную длину переноса в случае равенства стандартного откло-гния амплитуды флуктуирующего поля величине среднего значения строенного квазиэлектрического поля. Устрновлено, что при увели-ении градиента ширины запрещенной зоны степень влияния простран-твенных флуктуаций уменьшается.

6. На основании принципа детального равновесия предложен но-ый подход к расчету спектра внутризонного излучения нерашовес-ых носителей с использованием функции распределения носителей по нергиям, позволяющий рассчитать такие спектры как для гомозогашх, ак и варизонных структур. Установлено, что спектральные зависн-ости предпробойной электролюминесценции варизонных и гоыозонных труктур совпадает при энергиях фотонов, значительно превышающих редтаю энергга равновесных носителей, а интенсивность излучение 1аризонних ЛАСа,.хАх структур зависит от градиента состава твердо-•о раствора при лгбых механизмах внутризонных излучателышх пере-:одов,

Зазицаете положения.

1. Наблюдаемая в тройных твердых растворах соединений А^В^ (оппозиционная зависимость подвижности обуславливает экспериментально установленную в варизонных А!*5а,_хАз структурах немонотон-1ув зависимость аффективной длины переноса ННЗ от градиента аирины запрещенной зоны.

2. Для твердых растворов АуЗа^Ад и (МхНг)Ь)[Го максимально ^остжимая длина переноса ННЗ в варизонных структурах и соответствующее ей значение градиента Ед существенно зависят от параметров композиционных зависимостей подвганости и времени аизни.

3. В варизонных структурах с нелинейными профилями ширшш запрещенной зоны и монотонно убьга&сщими с координатой величинами Вд и встроенного квазиэлектрического поля возможно возникновение максимума пространственного распределения концентрации ККЗ в объеме при наличии в структуре области, в которой характерная длина изменения встроенного поля меньше длины диффузионного смэ-щения.

4. Степень влияния наблюдаемых в твердых растворах крупномасштабных ( по сравнении с длиной свободного пробега ) квазиодномерных пространственных флуктуация состава на перенос ННЗ в вариэонных структурах определяется отношением стандартного отклс нения амплитуды к среднему значеннэ встроенного квазиэлектрического поля, достигая максимума при равенстве указанных величин и монотонно убывая при уменьшении их отношения.

Практическая значимость работы определяется тем, что в не£ на. примере ЛхСа,.кАа проведено исследование ряда механизмов, огрг ничквапщих рост эффективной длины переноса ННЗ при увеличении градиента ширины запрещенной зоны в реальных вариэонных структурех и получены условия для достижения оптимальных значений этих длин, о пред ел ко и; их основные характеристики светоизлучаощих и фотоэлектрических приборов.

Практическая ценность работы обусловлена и тем, что результаты в рассматриваемых моделях представлены не только в виде точных аналитических решений, но и в виде .простых апроксимацион-ных зависимостей, справедливых при экспериментально наблюдаемых значениях параметров твердых растворов и пригодных для практического анализа экспериментальных результатов.

■На основе рассмотренных моделей предложены экспериментальные методики определения параметра композиционной зависимости подвжности в вариэонных структурах с линейным профилем и длины диффузионного смещения в структурах с экспоненциальным профилем ширины запрещенной зоны.

Агтробения работы. Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 работах, докладывались и обсуждались на Третьей Все-созной конференции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок ( Ивано-Франковск, 1920 ), конференции молодых ученых "Горячие электроны и коллективные явления в полупроводниках" ( Неда, 1990 ), научно-технической конференции "Оптоэлектронные кзтоды и .средства обработки информации" ( Винница, 1983 ).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, списка цитируемой литературы. Объем диссертации 150страниц, в тон числе I таблица, 43рисуров. Список цитируемой литературы ИЗ наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обосновывается выбор темы работы, ее актуальность, формулируется цель и основные защищаемые положения, рассматривается научная новизна и практическая значимость работы. Представлен список публикаций, отрет асщих основное содержание и результаты диссертации.

Первея глгрп носит обзорный характер. В ней систематизированы и просмоли-'ирмрмш результаты экспериментальных и теоретических исследований, позволившие сформулировать основные положения сууствовак'еР к началу диссертационной работы модели переноса 1513 в в ар ил;-иных структурах. Предстаапен вывод и проанализировано в общем вичр основное уравнение, позволяющее определять пространственное распределение концентрации НИЗ в варизонных структурах как при высоком, так и при низком уровне гагчекции. Представлены результаты решения осношюго уравнения в ремкпх существующей модели и зависимости длин диффузионно-дрейфового смещения от величин тянущего и тормозящего встроенных квазиэлектричесшгс полей.

Проведен анализ последних экспериментальных исследований свойств полупроводниковых твердых рястп' р 'П ( в частности, сое-динениР ) кок постоянного, ток и переменного составов. Обобщена резул-.татн ряда исследований, iv. т-чя^пие сделать вывод о том, что наблюдаемые энсперимеитал! н».<е профили ширины эапрс-цгнноЯ зоны в той или иной степени стличгптся от линейного. Обсуждены результаты попыток учесть подобнр нелинейность профиля Еа в рам-хох супеству-щей модели и указан рдд обстоятельств, ограничивающих область применения подобных моделей для анализа процессов переноса в реальных варизонных структурах.

Систематизированы экспериментальные данные о наблодае»!зс в полупроводником: тройных твердых растворах ( в частности, соединениях А*%° и Л^В® ) зависимостях подтгшости и времени лизни нос> теле!' от состава и сбсугде!!:! причзигн возникновения подобие закономерностей. Отмечено, что подобное яэгелсииэ условий переноса !П!3 не учитывается существующей модели.

Система "из^оппн тага о целый ряд экспериментальных исследований сднсроднсстк состава как гомезотых, та:: п лернзонж:: тгер-дих растворов. Установлено, что в общем случае полупроаоднгкоп-'о тсердкз растворы характер;«jaгея !!злглп:гм прострагстпсикттх флук-гупций состава: как молком-ге-лтебкум!! ( по сроснезга с длинеП с;о~

7

водного пробега носителей ), вызванными случайным композиционным беспорядком, так и крупномасштабными квазиодномерными, возникновение которых обусловлено спецификой роста кристачлов. Последние в варизонных структурах могут существенно влиять на пространственное распределение концентрации ННЗ и, следовательно, н измеряемые характеристики твердотельных приборов.

Проанализированы методики расчета спектров люминесценции в варизонных структурах и обсуждены границы их применимости для ре ального случая немоноэнергетического локального спектра излучени

На основе материала главы сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе на основании экспоненциальной апроксимации ^ = /Д0-ехр(-£>;к) экспериментальных композиционных зависимостей по двгашости (£>- эмпирический параметр твердого раствора ) решено основное уравнение переноса и получено аналитическое выражение для пространственного распределения концентрации ННЗ р{2) в ва-ркзонной структуре. Для наблюдаемых в твердых растворах ( в част ности, соединениях А В® ) значений £ получено апроксимирующее вь ражение распределения ННЗ: р(£)=Ст»ехр(-2 Д+)+Со«ехр(е/Г"), гд

V 4- **

эффективные длины переноса I. отличаются от соответствующих длин I* диффузионно-дрэйфсвого смещения в тянущем и тормозящем ветре енных квазизлехтричзских полях в существующей модели, где Анализ показывает, что 1Г и 1Г при тормозящем встроенном поле отличатся слабо, в то время как 1>+ и в тянущем поле могут суще ственно различаться. Более того, деке характер зависимости после них от градиента Ед различал ( рис. I ).

Ь+Д>лш

I / 0 РисЛ. Зависимости длин переноса

'X* „ ННЗ от градиента Ед при от-

30

ТО

/у^Л2 \ сутствии" («кривая"!) и нга

}' \ 1 пни (I?', композиция ¡не

' /' \ \ зависимости подв;пности длг

'о

\ зависимости подв;пности д,-

ХЧ \ вср:аоннюс Л^СЬ^Аа струг; 1

\ Точ':и - ккспер'пох-нтслыо^

V х

"Ь'чч.. демше, криша 3,4 - резул!

чети распята 1« при окспер;

Ю 10 I " I , 10

О

гати распята 1«+

ментальном значении ^>"1,7,

В области малых , а в области больших, как пока-

1ывает аньлиз, . При наличии композиционной зависимос-

ти подвтпости величина £ определяет значение максимально дости-симой дл1шы переноса ННЗЬ^и и оптимальное значение градиента ширины запрещенной зоны чЕ^ .

Физическая причина ограничения .следующая. Встроенное по-1е затягивает ННЗ в сторону меньших значений Ед, где подвтность юсителей ( согласно известным экспериментальным данным ) все 5ольше и больше. Чем дальше продвигается нсситель, тем больше его уэейфовая скорость и для выбранного сечения структуры скорость, о которой носители подходят к нему, меньше скорости, с которой они аз него выходят. Это приводит к более резкому уменьшению концентрации ННЗ, чем в случае постоянной подвижности, и чем больше градиент Ед, тем сильнее проявление этого эффекта из-за увеличения градиента скорости.

Качественное и количественное согласие рассчитанных зависимостей с результатам! экспериментальных исследований ( рис.1 ) позголяот сделать вывод о наличии принципиального ограничения максимально достижимых длин переноса в варизонньк структурах из-оа наличия композиционной зависимости подвижности. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать и ^Е^.

Анализ переноса ННЗ при дополнительном учете и композиционных зависимостей времени жизни ТгаТ^-ехрС-сьсп ), экспериментально наблюдавшихся в Л1л6з,_хАа и С^Нд^То, проведен на основании полученного аналитического решения основного уравнения переноса ННЗ в варизонных структурах. И в этом случав для рассматривавших твердых растворов распределение ННЗ мотет быть апроксимировено в виде суммы экспонент и, следовательно, 0*= характеризуют перенос носителей. Анализ показывает, что учет Т: (ее), не изменяя немонотонный характер зависимости (ИЕ^), приводит к изменение значений Кто* и оптимального Так при сС< 0 ( характерно для А1СзАз) максимально достгаимая длина переноса увеличивается по сравнеша со случаем сСаО. Это обусловлено тем, что уменьшение концентрации ННЗ из-за наличия градиента дрейфовой скорости частично компенсируется уменьшением теша рекогйинации.

На основании проведенного анализа предложен способ уменьшения влияния композиционной зависштости на перенос НЮ. Если при внешнем воздействии удастся ввести раЕНОкзрно по всей вари-зонной структуре дополнительные центры рассеяния Носителей, то,

9

с одной стороны, уменьшение среднего значения дл в структуре приведет к уменьшешго эффективной длиш. переноса при М4лых \7Н^\<УчЕ^, а» С другой - произойдет уменьшение перепаде значений подвижности ( уменьшение градиента дрейфовой скорости ) в структуре, который определяет при |уЕд1>\яЕд\величину длины переноса.

Анализ спектров фотолюминесценции ( ФЛ ) варичонных структур при наличии композиционных зависимостей пинволил предложить экспериментальную методику определения параметра £ композиционной зависимости подвшности изучаемого твердого раствора. Суть метода заключается в определении наклона низкоэнергетического края спектра $Л БСЬ^) при таких значениях градиента ширины запрещенной зоны, гфи которых указанный наклон перестает зависеть от уЕд. Это реализуется при |уЕу>|чЕ|| и при этом ,

где В=с1Ед/<1ж- известная для данного твердого раствора величина.

Третья глава посвящена изучен«, переноса !Ш и формирования спектров фото- и электролюминесценции ( ОЛ ) в варизонных структурах с экспериментальными нелинейными профилями ширины запрещенной зоны, характеризующимися монотонным уменьшением с координатой величин Ед { <1Е^/с1г<0 ) и встроенного квазиэлпктрического поля ( ), при неизменных вдоль структуры величинах подвижности

и времени жизни. Исследование пространственного распределения концентрации 1ШЗ р(г) и спектров излучения проводилось как на основании анализа впервые полученных аналитических решений уравнения переноса для структур, профили 2) в которых апроксиыи-руются экспоненциальными или параболическими зависимостями, так и на основании результатов численного моделирования с помощш специально разработанного пакета программ РЙЭГ, входной информацией для которого являлись экспериментальные профили Е^СО.

Анализ пространственного распределения НИЗ позволил установить, что в рассматриваемых структурах возможно накопление носителей в объеме в том случае, если длина диффузионного смещения превышает характерную длину изменения профиля 2). Причиной возникновения максимума р(£ ), не связанного с эффектами у поверхности, является наличие уменьшалщегося вдоль структуры ( с ростом £ ) значения дрейфовой скорости носителей /и.Е^г), обусловленного уменьшением встроенного поля Ей( «Ш^/^О.К Для экспоненциальных впрюошшх структур, где Е^(ь)иЕ0-скр(-?/Л>+Е1; Е0, Сх- паро^тры, определяемо величинами сирин запрещенной зоны на границах, Л - характерная длина изменения профиля Бд(а), про-

10

странс пвенное распределение концентрации описывается выражением

р (и) = и°е"и [С, КЛ(а, *, и) + Сги(а ,Ва+^и)].

Здесь АЛ,X/ — вырожденные гипергеометрические функции; а=ЛДр;

и =Е0ехр(-гА)ДТ. Для таких структур определен критерий возникновения максимума распределения ННЗ в объеме. Значение ит , соответствующее максимуму р(.и ), определяется величиной 0.= ^ Др ( ит=ехр(а )-1, при (X ^ I и ит=а.а+1, при (Х>1 ) и существует при любом Л . Максимум же пространственного распределения концентрации №¡3 возникает лишь в том случае, если значение ит реализуется в структуре ( существует сечение 2 соответствуэщее ит ), т.е. при Ц0=Е0ДТ>ит.

Анализ формирования спектров люминесценции варизонних структур с экспериментальными профилями 2 ) и немоноэнергетически-ми локальными ( в сечении 2 ) спектрами излучения 10 ( г ,1г)) позволил установить ряд существенных особенностей. Так, немсноэнер-гетичность и)(г,1т5) в какдом сечении приводит к тому, что область возникновения фотонов с фиксированной энергией Д (М) конечна и зависит от полуширины б* локального спектра { с1л/с5>0 ) и, в общем случае, от величины (т? . Тогда спектральная интенсивность

БСИ^^; Л(И<р>,

где излучательное время жизни, Д(Ь^) - пространственный

размер области излучешш, <р>- среднее значение концентрации КНЗ в этой области. В структурах с л шейным профилем Ед( 2) размеры области излучения А не зависят от Ь-) ( А аЯбУ^Е^! - за исклэчением узких областей у границ структур ) и спектр лпммнес-ценции "отслеживает" пространственное распределение НЮ: максимум Б( ) формируется фотонами с энергиями, близкими к значениям Ед у границ структур, а интенсивность его определяется условиями шкекции и рекомбинации на этюс границах. В структурах не с исследуемыми нелинейными профилями Ед(2) размеры областей излучения Д растут при уменьшении К") . Если при этом скорость роста размеров Д областей излучения ( 1ЙД/<1М) компенсируется уменьшением <р> ( т.к. растет область усреднения ), то возможно возникновение макешумэ З(^) дпяо при монотонно убыЕСп-щемр(г-). Этот максимум, соэнидстщпй в такоэнергетнческоА об-

ласти спектра, обусловлен эффектом перекрытия локальных спектров и его параметры определяются, в осноеном, полулириной б" локального спектра. Указанная причина обуславливает казавшуося ранее необъяснимым экспериментально установленное отсутствие зависимости интенсивности низкоэнергетического максимума спекта £Л при возбуждении через широкозонное окно от способа обработки уэкозон-ной поверхности. Иная особенность спектров люминесценции структур о нелинейными г) вызвана возмскным возникновением обсуждавшегося выше максимума р(г) в объеме. В этом случае возникает максимум 8(Ь^>) изчза эффекта накопления при энергиях фотонов, существенно отличающихся от ЕдтахИ Е^рТп..

При анализе спектров люминесценции структур с экспоненциальным профилем Ед( г) установлено, что в этом случае имеет единственный максимум, полакение которого определяется, в основном, степеныо нелинейности Ед( 2) - параметром Л и величиной длины диффузионного смещения Ьр . Предложена методика экспериментального определения Ьр по измерениэ энергии максимума спекта ФЛ ( при Едт'^+бЧ ^^Едпаи-б" ), соглгзно которой

Единственность максимума в подобных структурах вызвана

Спектральной близостью или совпадением максимумов, обусловленных эффектами перекрытия и накопления НТО, в случае его существования.

С помощью разработанного пакета РШ^ проведено численное моделирование переноса ННЗ и формирования спектров в экспериментальных варизонных Структурах. Входная информация при моделировании - экспериментальные профили 2), которые сглаживались с помощью кубического сплайна с учетом ошибок измерений. В численных экспериментах установлено, что лишь в варизонных структурах с экспоненциальными ( или близкими к ним ) профилями £) наблюдается указанное выше спектральное совпадение максимумов спектра, обусловленных .эффектами перекрытия локальных спектров и эффектом накопления, что приводит к повышенна интенсивности максимума излучения. Это должно обуславливать увеличение интенсивности излучения в варизонных светодиодах 6 экспоненциальными профилями Е^Е), что и набяодается экспериментально в А^а-.-Аа (51,1п.) свотодиодех, облсдсощнх практически экспоненциальным профилем состава.

Численное

моделирование экспериментальных .М^С^-хА^ (&1) струк-12

тур, профиль ) которых существенно отличается от экспоненциального, позволило установить, что спектр люминесценции указанные структур имеет, в общем случае, два максимума: высоксэнер-гетич-^скпй, обусловленный повышенной концентрацией ННЗ в. шгроко-зонной части структуры ( у поверхности или в объеме из-за эффекта накопления ) и низкоэнергетический, обусловленный эффектом перекрытия локальных спектров ( при моделировании скорость поверхностной рекомбинации у узкозонной поверхности полагали бесконечной 1. Установлено качественное и в ряде случаев количественнов согласие рассчитанных и экспериментальных спектров ФЯ варизонных Д6а(-ХА5 структур, легированных 51 и специально не легированных.

Четвертая глава посвящена нзучешм влияния крупномасштабных ( по сравнения с длиной свободного пробега носителей ) пространственных флуктуаций состава варизонных твердых растворов на перенос НЮ и измеряемые характеристики варизонных светоизлучет-щих структур.

При численном моделировании использовались две модели. В первой, использовавшейся для определена характерных особенностей переноса, исследовались пространственные распределения концентрации ННЗ в структурах, профиль Ез(5) которых представлен в веде суии "некозмущенной" части ЕдоС )+еЕ*-2 и синусоедаль-

ного "Е031ущения" 2 ) /¿ц), где Л,сАо - амплитуда и ха-

рактерная длина пространственных флуктуаций. Анализ урпвнен"я переноса в данной модели позволил установить критерий изменения характера пространственного распределения ННЗ. Ток, прп с1зЛл<зп|аА^' вознинстт локальные максиму:.« концентрации ННЗ в танимумах потенциального рельефа ( минимумах г )), то есть характер распределения носителей становится отли^шм от характерного для "но-возмущенных" структур с линейным профилем ьд( 2 ).

Анализ процессов переноса в структурах при наличии пространственных флуктуаций ( П2> ) состава позволил установить, что степень влияния флуктуаций на перенос ННЗ определяется соотношением !\~"у средним значением встроенного кзазгалектричэеяого поля •л характерной агялптудой флуктуирузщего гетроенпого поля В$ . Соотнесение ;/с:кду отит величина!.'» определяет, з пзстиости, особенности наиболее) ес/лноЙ для оптсэяо:стрсга;:г; гаризогпп^ пр::боров ла-гчстамсти еффоктигной длктт переноса ( при иалич:::? ПЗ -Ьэ) о? град:»'*™ ¿¡¡ргаш запргщешгой зеш ( прп иг.ига" Ю - среднего знн'г'ли'.я градиента Пд 5. Установлено, что нптги-'з П1 ко гагалг:

характер зависимости L3(|vE^j|): рост L3 при увеличении vE^o , однако степень уменьшения длины переноса из-о а наличия ПФ различна при различных |vEgo|. В области малых vEgo ( Е*<Еф) перенос (ИЗ определяется, в основном, диффузионным преодолением носителями облаете? "тормозящего" встроенного поля. Рост )vig)|, приводящий к уменьпеь.ш амплитуд тормозящих полей, приводит к более медленному росту 1»э по сравненю с I* для "невозмущенных" структур - степень влияния ПС? на перенос растет и при Е*-Е$ различие L3 и £+ достигает максимума. При E*>Eq> в структуре исчезает области тормозящего поля и движение ННЗ приобретает характер диффузионно-дрейфового переноса во флуктуирующем тянущем встроенном поле. Увеличение IvEjpl приводит к уменьшение различий манду и ¿+из-за уменьшения относительной величины флуктуирующего поля.

Вторая модель П$ была использована в численных экспериментах по определенно влияния флуктуаций на внешний квантовый выход ^ варизонных Al^Ga,.xAs(Sl) светодиодов. В отом случае с помощш генератора случайных чисел генерировались случайные профили Ед с учетом экспериментальных данных о параметрах ПФ и их статистических характеристиках { вероятностях появления флуктуаций с теми или иными амплитудами и длинами ) в твердых растворах Л^В^. Генерация амплитуд и длин отдельных флуктуаций производилась с помощью датчика случайных чисел с нормальным законом распределения, параметрами которого были: стандартные отклонения амплитуды (Г и длины б^} и наиболее вероятное значение длины d0 ПС. Ha

основании решения для ког.дой реализации Eg( г ) уравнения переноса находилось распределение концентрации ННЗ и определялись значения длины переноса L3 и внешнего квантового выхода ^ с учетом поглощения высокоэнергетических фотонов в подлтаке.

Лнслнз результатов моделирования позволяет сделать следующие ВЫВОДЫ.

1. Уыяшзеиио Ц при наличии П2 определяется, к основном, ухудшением переноса ИЩ в активной р-области светодиода.

2. Сущсстссипзе ухудшение монет наблюдаться и при столь малых (0Г< LT ) емтггдаех ПС, которые ыогут и не быть обнаружены с по-lo^l'J cCuuilsc мзтодик, т.к. в оар:;зок!Шх структура; определяющее влияние на транспорт окапывал не амплитуды Ш> состава, а величины флуктуирующего встроенного поля.

В пглой тятю обсу;:дсны особенности фор:,ирования спектров гп»5дпробо!>;ой слсг.тргипмкнссхшцзд ( ПЭЛ ) в обр&типскз^сниис дл-

14

одных структурах, обусловленных внутризонными излучательными переходами горячих носителей. На основании принципа детального равновесия для внутриэонных переходов получено наиболее общее выражение дчя расчета спектров ПЭЛ, применимое как для однородных, так и неоднородных, в частности , варизонных структур:

ОО

у V»

где \ViE.z ) - вероятность внутризонного перехода носителя с энер-* гией Е при поглощении фотона № в сечении х . Спектр ПЭЛ монет быть рассчитан при известных пространственных зависимостях плотности состояний ^(Е.г ) и функции распределения горячих носителей | (Е, г ) по энергиям Е для исследуемой структуры.

На основании анализа энергетической и пространственной зависимости вероятности внутриэонных переходов и решения уравнения Больимана установлено, что выражение для спектра ПЭЛ мскет быть представлено в ввде произведения "энергетической" ( определяет спектральную зависимость ) и координатной ( определяет интенсивность излучения ) частей.

Спектральная зависимость ПЭЛ определяется энергетически™ зависимостями вероятностей внутризонных переходов и плотности состоянии рассматриваемой зоны, а такие электронной температурой Те горячих носителей, попадающих в квазинейтральную область. Установлено, что различия в спектральных зависимостях, обусловленных различными механизмами внутризонных излучательных переходов, уменьшается при увеличении Те и при Те > Те Кр с 0,8 эВ по вцду спектральной зависимости невозможно.определить тип внутризонных излучательных переходов. Анализ экспериментальных спектров ПЭЛ диодных структур из различных материалов позволил определить значения электронной температуры горячих носителей и сделать на основании этого вывод о преобладающем механизме токопереноса носителей через область пространственного заряда.

Проведенный анализ позволил установить, что спектральные зависимости ПЭЛ гомозонных и варизонных структур совпадеот, а пространственный профиль состава гс(н) варизонных структур, определяющий координатную зависимость эффективных масс, энергий Кононов и т.д., оказывает влияние на интенсивность ПЭЛ.

Исследования влияния градиента состава АУаэ(-хА5 - диодов на интенсивность ПЭЛ позволили установить, что изменения обус-

лавливаот пространственные изменения темпа как излучательных, та: и безызлучательных переходов в квагинейтральной активной области структур. Определены зависимости интенсивности ПЗЛ от 7зепри раз личных механизмах внутризонных излучательных переходов и устьнов лено, что степень различия меяду ними увеличивается с ростом абсолютного значения градиента состава.

основные вывода.

1. Наблюдаемые в тройных твердых растворах композиционные зависимости подвикности и времени жизни, обуславливающие в варизонных структурах пространственную зависимость параметров перено са, оказывают существенное влияние на перенос низ и формирование как спектров люминесценции, так и иных измеряемых характеристик варизонных оптоэлектронных и фотоэлектрических приборов.

2. Наличие композиционной зависимости подвижности, наблюпае мое, в частности, в твердых растворах соединений А^В^ и

, обуславливает в варизонных структурах принципиальное ограничение максимально достгаимых эффективных длин переноса ннз при увеличе нии градиента ширины запрещенной зоны." В области градиентов Ед, превышающих оптимальное для данного твердого раствора значение, -перенос ННЗ определяется, в основном, пространственным профилем подвикности в структуре и характеризуется уменьшением эффективной длины переноса с ростом №Ез[.

3. Учет композиционной зависимости времени жизни, наблюдаемый в тройных твердых растворах, в частности, А^ба,.^ и

не изменяет характера зависимости эффективной длины переноса от градиента ширины запрещенной зоны, а приводит к измененно величи максимально достюкимой длины переноса и оптимального градиенте Ц

4. Наклон низкоэнергетического края спектра люминесценции варизонных структур при наличии композиционных зависимостей пера иотров переноса увеличивается с ростом градиента Ед в области ма лих, по сравнениэ с оптимальным, градиентов, а в области больших перестает зависеть от градиента ширины запрещенной зоны. Измерение предельного наклона спектра ФЛ позволяет, с понощьи предложенной мзтодики, определить экспериментальное значение параметра композиционной зависимости подвижности.

б. Анализ переноса ННЗ в варизонных структурах с эксперимен тальными нелинейными профилями Е^(2) ( ¿аЕа/с1аа>0 )

16

позволил установить, что в подобных структурах возметено возникновение локального ( в объеме структуры ) максимума пространственного распределения концентрации НТО. Определен критерий и выяснены при' ины его возникновения. Получены аналитические выражения для распределения ННЗ в структурах с экспоненциальным и параболическим профилем Ед(2) и проведен детальный анализ переноса носителей и условий возникновения локального максимума.

6. Исследования особенностей формирования спектров излучения в реальных ввризонных структурах с нелинейным профилем а ) и немоноэнергетическим локальным спектром излучения позволили установить механизмы возникновения максимумов спектров люминесценции. Максимум регистрируемого спектра метает быть обусловлен эффектом накопления НЮ в объеме структуры и эффектом перекрытия локальных спектров излучения.

7. Анализ спектров излучения варизонных структур с экспоненциальным профилем } позволил предложить фотолюминесцентнуо методику определения длины диффузионного смещения по полсиенга максимума регистрируемого спектра <5Л. Установлены преимущества подобного профиля Ед( г ) при разработке варизонных светодиодов.

8. Исследования влияния крупномасштабных пространственных флуктуаций состава на перенос ННЗ позволили установить область градиентов яирины запрещенной зоны, при которых степень влияния пространственных флуктуация на транспорт незначительна. Установлено, что увеличение выгодно с практической точки зрения не только из-за увеличения эффективной длины переноса ННЗ и, следовательно, улучшения параметров приборов, но и из-оа уменьшения влияния пространственных флуйтуаций и, следовательно, уменьшения технологического разброса параметров приборов.

9. Спектральные зависимости предпробойной электролюминесценции гомозонных и варизонных активных квпзинейтральных областей обратносмещенных диодных структур совпадают, а интенсивность га-лучения в варизонных структурах зависит от градиента состава

для любых механизмов внутризонных излучательных переходов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах.

I. Боднарскнй. В.В., Пека Т.П. Исследование влияния флуктуаций состава но параметры варизонных светодиодных структур Д^а^Аз^) :6аА& методом численного »даделировшиш// НЮ.-1990.- Т. 53.- ?? 2.- С. 291-294.

17

2. Беднарский B.B., Верховодов М.П., Пека Г.П. Перенос неравновесных носителей заряда в варизонных структурах с учетом зависимости подвжности от состава твердого раствора// £ТП.-1990.- Т. 24.- № 8.- С. I37I-I374.

3. Беднарский В.В., Верховодов Ы.П., Пека Г.П. Спектры препро-бойной электролюминесценции дио.дных структур// ЙПС.- 1990.Т. 53.- » 4.- С. 572-576.

4. Беднарский В.В., Верховодов М.П., Пека Г.П. Спектры излучения полупроводниковых твердых растворов с переменным градиентом состава// Ш1С.- 1992.- Т. 56.- № I.- С. 71-76.

б. Светодиоды повышенной мощности излучения на основе р-п структур AlxGa,_xAa(St) переменного состава/ Беднарский В.В., Гафт А.Е., Коваленко В.55. и др.// Оптоэлектроника и полупроводниковая техника(Киев).- 1989.- Вып. 16.- С. 60-63.

6. Беднарский В.В., Верховодов М.П., Пека Г.П. Влияние флуктуа-ций состава и композиционного профиля подвижности на перенос носителей г> эпитаксиальных пленках твердых растворов. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких полупрозодниковых пленок. Часть I.- Ивано-Франковск, 1990.- С. 55.

7. Беднарский В.В., Верховодов М.П. Перенос неравновесных носителей зарода (НПЗ) в варизонных структурах с учетом зависимости подвихности от состава твердого раствора. Тезисы докладов конференции молодых ученых "Горячие электроны и коллективные явления в полупроводниках",- Неда, 1990.- С. 20.

8. Беднарский В.В., Верховодов Ы.Й., Пека Г.П. Расчет квантовой оффективностн цредпробойных варизонных электроломпнесцентных диодов. В сб."0птоолектронные методы и средства обработки информации. Научно-техническая конференция".- Винница,1988.-С. 118.