книги из ГПНТБ / Арсенид галлия. Получение, свойства и применение

300 И З Л У Ч А Т Е Л Ь Н А Я Р Е К О М Е 1 Ш А Ц И Я [ГЛ. 6

легировании ограничивается недостатком информации о свойствах примесных зон прп сильном легировании и об энергетическ м спектре примесей в арсениде галлия.

Зависимость интенсивности излучения от концентра­ ции при 77 и 300 ° К для кристаллов п- и р-тппа имеет вид кривой с максимумом. Спад интенсивности рекомбннациоиного излучения прп больших концентрациях объясняется увеличением доли безызлучателыюй рекомбинации через несовершенства кристалла, которые возникают при боль­ ших уровнях легирования. Интересен тот факт, что макси­

ров существенно больше оптимальной концентрации для

торой квантовый выход нзлучательной рекомбинации прп 300 0 К и при 77 ° К одинаков.

Прп возбуждении электронным пучком возможно ползг чнть стимулированное излучение. Стимулированное из­ лучение сначала было получено иа кристаллах р-тппа [39], а позже на кристаллах га-тппа [45], причем пороги генера­ ции в кристаллах п- п р-тнпа приблизительно совпадают.

Из вышесказанного впдно, что результаты по рекомбинацпонному излучению кристаллов п- и р-типа с различ­ ной концентрацией носителей; при возбуждешш светом и электронным пучком находятся в хорошем согласии и несут в себе информацию о характере механизма нзлучательной рекомбинации при различных уровнях легирования.

6.3. Фотолюминесценция кристаллов, легированных кремнием и германием

6.3.1. Кремний. Ранее указывалось, что основной при­ месью-спутником в арсениде галлия является кремний. Во многих случаях присутствие атомов кремния в кристал­ лах является нежелательным — невозможно получить и исследовать чистый арсенид галлия и трудно исследовать поведение других специально вводимых прнмесен.

Однако кремний является и благоприятной примесью.

В.З] Ф О Т О Л Ю М И Н Е С Ц Е Н Ц И Я . Л Е Г И Р О В А Н Н Ы Х К Р И С Т А Л Л О В 301

пия кремнием, являются самыми высокоэффективными пре­ образователями электрического тока в спонтанное излу­ чение при комнатной температуре [68, 69]. По этим двум причинам необходимо всестороннее изучение поведения атомов кремния в арсениде галлия и их проявления в раз­ личных процессах, и, прежде всего, в излучательной ре­ комбинации. Однако изучение роли атомов кремния в ар­ сениде галлия, помимо указанных выше трудностей, ос­ ложняется еще и тем, что трудно получить кристаллы с различной концентрацией атомов кремния, начиная от малых концентраций и до предельно возможных.

Фотолюминесценция арсенида галлня, легированного кремнием, изучалась в работах [15, 70, 72—76], кристал­

лов га-типа, по-разному легировапных кремнием и получен-* ных методом горизонтальной направленной кристаллиза­ ции, представлены на рис. 6.11.

обнаруживается два максимума А и Ах с энергией hvMA~ «*1,52 эв и kvmA^l ,43 эв. При концентрации электронов порядка 101 8 см~3 донорные уровни кремния слиты в при­ месную зону, которая в свою очередь слита с зоной прово­ димости, и электронный газ вырожден. Поэтому можно сделать вывод, что как полоса А, так и полоса Аг обсуловлены излучательиыми переходами с одних и тех же состоя­ ний в зоне проводимости. Разность hvmA (1,52 эв) — hvMAT (1,49 эв) =0,030 эв, т. е. приблизительно равна SA (Si) [15, 73, 77]. Это дает основание думать, что излучение по­ лосы А обусловлено переходами зона проводимости — валентная зона, а полосы Ах — переходами зона проводи­ мости — акцепторные уровнн кремния.

При меньших концентрациях электронов спектры кра­ евого излучения при 77° К состоят пз одной широкой по­ лосы без структуры (кривые 1 и 2 ) . Вероятно, что спектры краевого излучения этих кристаллов, обусловлены теми

Энергия дюшЭнзЗ, гв

Рис. 6.11. Спектры краевого излучения кристаллов л-типа, леги­ рованных кремнием.

К о н ц е н т р а ц и я э л е к т р о н о в : 1 — 1 1 0 " ; 2 — 2,4-10"; 3 — 3,510" ; 4 — I X

Х 1 0 " с и - 3 ( н е л е г и р о в а н н ы й n - G a A s ) . •

же переходами, что н спектр более сильно легированного

который был получен из расплава стехиометрического со-

е.з] Ф О Т О Л Ю М И Н Е С Ц Е Н Ц И Я Л Е Г И Р О В А Н Н Ы Х К Р И С Т А Л Л О В ЗОЬ1

става и содержал -лишь примеси-спутники (в основном кремний). Спектр излучения этого кристалла (кривая 4)

A v m = 1,508 эв связано с переходами доиорные уровни крем­ ния — валентная зона.

При 295° К спектры краевого излучения этих же леги­ рованных кристаллов состоят из одной полосы без струк­

чем выше уровень Ферми в зоне проводимости. Поскольку имеется вырождение электронного газа в этих кристаллах и hvm > &g, то, следовательно, имеют место переходы зона проводимости — валентная зона. Однако вследствие того, что полосы являются широкими (полуширина полос со­ ставляет —0,1 эв, т. е. 6^> кТ), вероятно, имеют место и

альных слоев арсенида галлия «-типа (кривые 1—4), получеиных'прп выращивании из раствора GaAs—Ga с добавле­ нием различного количества кремния.

При 77 °К спектр краевого излучения эпптаксиальных слоев, полученных при добавлении 0,001 вес. % Si в ра­ створ GaAs—Ga, представляет одну полосу В с Ытв = = 1,508 эв (кривая!), и излучение этой полосы вызвано пе­ реходами доиорные уровни кремния — валентная зона. Спектр излучения эпитаксиальных слоев, содержащих

вод, что излучение полосы С обусловлено переходами донорные уровни кремния — акцепторные уровни кремнпя.

301 И З Л У Ч А Т Е Л Ь Н А Я Р Е К О М Б И Н А Ц И Я (ГЛ. 6

Расположение атомов кремния в обоих подрешетках уве­ личивает вероятность донорно-акцепторных переходов, т. е. увеличивается эффективность излучения полосы С

Энергия ротонов, эв

Рис. 6.12. Спектры фотолюминесценции эпитаксиальпых слоеп л-тппа, легированных кремнием.

D, эволюция которой четко связана с концентрацией ато­ мов кремния в растворе GaAs—Ga при легировании (кри­ вые 2, 3, 4). По мере увеличения концентрации атомов кремния в жидком растворе арсенида галлия в галлии концентрация электронов в эпитаксиальпом слое слабо увеличивается от 101 7 до 1 • J О1 8 см~3, а интенсивность по­ лос В к С уменьшается и начинает увеличиваться интеп»

«*0,97 и ftvmjc«^0,85 эв (кривая 7). Интенсивность излучения

несценции, как правило, состоит при 77° К из двух полос- Е я М с JiVmE =1,43—1,44 эв и hvmM =1,18—1,185 эв. По­ лосы N и К не проявляются и наблюдается лишь пологий длинноволновый хвост полосы М (кривая 2).

Спектры фотолюминесценции этих же слаболегировапных кристаллов при 295° К имеют одну коротковолновую полосу С с hvmC> =1,423 эв и три длипноволиовые полосы М', N' и К' с энергиями максимумов / i v m M ' = l,08—1,10 эв, hvmN> =0,96—0,975 эв и hv^' =0,83—0,85 эв (кривая 1). При 295 °К спектр излучения сильно легированного кри­ сталла га-типа аналогичен спектру слаболегированного кристалла (кривая 2). Однако при больших концентрациях носителей полоса С сдвинута в сторону больших энергий, полосы N' и М' часто сливаются в одну полосу N' с hvmN' =0,99—1,001 эв.

В работе [51] сообщалось, что в спектрах краевого из­ лучения арсенида галлия (пт! • 101 8 см~3), легированного германием в процессе выращивания из расплава, наблюдалась полоса излучения с энергией максимума вблизи 1,41—1,42 эв при 77 °К, что совпадает с полосой Е. Одна­ ко из исследований спектров фотолюминесценции сильно компенсированного кристалла гс-тппа [78], который был слабо легирован германием в процессе выращивания по методу Бриджмена, видно, что при 77 °К в спектрах крае­ вого излучения проявляются очень слабо лишь две полосы с энергией максимумов -—1,51 и —1,49 эв. Вероятно, изза очень плохого разрешения аппаратуры или сильного загрязнения материала кремнием автору [78] не удалось

б.З] Ф О Т О Л Ю М И Н Е С Ц Е Н Ц И Я Л Е Г И Р О В А Н Н Ы Х К Р И С Т А Л Л О В 309

наблюдать еще и полосу с энергией максимума вблизи 1,41 эв.

Следует подчеркнуть, что полосы В, С и Е также наб­ людаются в спектрах излучения эпитаксиальных слоев и-типа, легированных германием в процессе выращпваиия

Энергия фстонов, сЗ

Рис. 6.15. Спектры краевого излучения при 77 и 300° К эпитакспальных слоев л-типа, легированных германием.

Концентрация германия в растворе: 1—0,001; 2—0,005; 3—0,1 вес % •

методом жидкостной эпитаксии в закрытой системе (рис.6.15).При 77° К во всех спектрах наблюдаются одновре­ менно полосы В, С, Е, а на кривой 3 (iVGe =0,l вес. %) наблюдаются одновременно полосы В, С, Е и полоса D