книги из ГПНТБ / Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ

В принципе, если начинать нагрев с самых низких, используе­ мых на практике температур — скажем 4,2 К, — может оказать­ ся возможным обнаружение очень мелких ловушек. Однако прак­ тика показывает, что ловушки с глубиной 0,1 эВ постепенно спонтанно теряют свой заряд, даже если образец находится при температуре, близкой к температуре жидкого гелия. Такое опустошение ловушек обусловлено туннелированием, при этом до­ казательством могут служить временные характеристики спектров послесвечения: интенсивность на коротковолновом краю спектра

Ф и г. 17.6. Кривая свечения для ZnS, легированного Си при наличии ловушек с квазииепрерывпым распределением энергии [6].

Время начала нагрева после окончания возбуждения: а 0 мин; б — 8,5 мнн; в — 34 міш.

спадает быстрее, чем иа длинноволновом. Кривые термостимулиро­ ванной люминесценции, полученные при 6 К для различных интер­ валов времени выдержки между окончанием возбуждения и нача­ лом нагрева образца, показывают уменьшение интенсивности низ­ котемпературной люминесценции с увеличением времени выдержки (фиг. 17.6).

Отметим, что нагрев переводит электроны с уровней ловушек на донорные состояния и состояния зоны проводимости, с которых затем осуществляется излучательный переход; так как в излуча­ тельных переходах могут участвовать различные наборы уровней, спектр излучения может быть широким пли содержать несколько максимумов при наличии только одного типа ловушек (когда кривая высвечивания имеет только один термолюминесцентный максимум). С другой стороны, если опустошается несколько уров­ ней ловушек (сложная структура термолюминесценции), спектр рекомбинационного излучения может содержать только один мак­

с уровней ловушек и рекомбинация являются различными процес­ сами, нельзя ожидать корреляции между двумя типами кривых — кривой высвечивания L (Т) и спектральным распределением излу­ чения L (hv).

§ 3. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ВЫЗВАННАЯ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Носители могут быть освобождены из ловушек путем оптиче­ ского возбуждения. Так как в большинстве полупроводников глу­ бина уровней ловушек не превышает 1,5 эВ, возбуждение может быть осуществлено воздействием инфракрасного излучения. После того как носптели возбуждены с уровней ловушек, могут проис­ ходить излучательные переходы с энергией испускаемых фотонов hv > E t. Следовательно, если кристалл был «накачан» при низкой температуре, за счет опустошения ловушек ИК-излучеиием может возникнуть люминесценция, которая носит название «ИК-стиму- лированная люминесценция». Информация о глубине ловушек может быть легко получена из спектров оптического возбуждения. Так, в ZnS при низких температурах люмпнесценцпя в видимой области может быть вызвана при освещении материала излучением

сдлиной волны 1,2 мкм [7].

§4. ГАШЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Внекоторых веществах люминесценция может гаситься как за время послесвечеипя, так и в процессе возбуждения. Гашение люминесценции может происходить под действием электрического поля, нагревания или инфракрасного облучения. В зависимости от условий можно выбрать разные модели для механизма гашения. Может происходить заполнение нижних состояний, участвующих

в излучательных переходах, или могут появляться каналы безызлучательной рекомбинации.

Тепловое гашение может быть обусловлено ростом скорости безызлучательной рекомбинации в соответствии с некоторыми моде­ лями, рассмотренными в гл. 7. В каждом случае необходимо прео­ долеть барьер, описываемый энергией активации Е*, которая обу­ словливает в соответствии с выражением (17.6) спад эффективности люминесценции. Тот же самый барьер Е* может быть преодолен путем оптического возбуждения фотонами с энергией hvQ ^ Е*.

На фиг. 17.7 иллюстрируется возбуждение электрона из ва­ лентной зоны или с мелкого акцептора на уровень глубокого акцеп­ тора, который выступает в роли нижнего состояния в процессе излучательного перехода, в результате чего осуществляется гаше­ ние люминесценции, связанной с этим переходом. Этот механизм

гии составляла около нескольких мегаватт на 1 см2, и излучаемые фотоны с энергией 1,48 эВ не могли поглощаться за счет междузониых переходов (через запрещенную зону GaAs0iCP 0]4 шириной 1,9 эВ). Однако их энергия, вероятно, была достаточна для

возбуждения электронов с ловушек в зону проводимости. После заполнения ловушек первым импульсом на короткое время вклю­ чался лазер на GaAs. Если бы происходило опустошение ловушек, второй импульс возбуждения не обеспечивал бы возникновения лазерного излучения или же излучение было бы меньшей мощно­ сти. Однако был обнаружен противоположный эффект: выходное

Ф и г. 17.13. Демонстрация оптического заполнения ловушек при использоваппп устройства, изображенного на фиг. 17.12.

Увеличение интенсивности излучения на выходе лазера на GaAs (обозначено через I )

уменьшает задержку в возникновении лазерного излучения в диоде из твердых растворов.

излучение во время второго импульса было более сильным, и это свидетельствовало о том, что излучение с энергией 1,48 эВ произво­ дит подзарядку ловушек путем оптического возбуждения электро­ нов из валентной зоны.

Результаты другого эксперимента по заполнению ловушек показаны иа фиг. 17.13. Диод на основе твердых растворов Ga (AsP) подвергался в течение 400 нс воздействию излучения лазера

на GaAs с длиной волны 8400 А, и затем через этот диод пропускал­ ся импульс тока.. При малом уровне возбуждения лазера на GaAs (0,5 А) задержка в возникновении лазерного излучения в диоде составляла 400 нс. Когда ток через диод увеличивался до 1,5 А, эта задержка уменьшалась до значения около 240 нс. Можно подо­ брать такой ток через диод, что последний будет генерировать лазерное излучение только в том случае, если лазер на GaAs будет включаться раньше него не более чем на одну миллисекунду, т. е. этот временной интервал должен быть меньше времени опу­ стошения ловушек. Если увеличить время оптической накачки, ловушки останутся заполненными в течение более длительного промежутка времени. Для заданного уровня оптической накачки

лазером ыа GaAs изменение временной задержки в лазере из твер­ дых растворов пропорционально продолжительности оптической накачки. Эти эксперименты показывают, что ловушки, ответствен­ ные за временную^ задержку, могут быть заполнены оптически.

Из приведенной выше серии экспериментов по оптическому заполнению ловушек можно сделать заключение, что ловушки работают как насыщающийся поглотитель. Определенная часть

Ф и г . 17.14. Демонстрация случая, когда ловушки в диоде из твердых растворов могут раоотать как насыщающиеся поглотители излучения с дли-

ной волны 8400 Â.

света, генерируемого в диоде из твердых растворов, поглощается за счет переходов, приводящих к заполнению ловушек. Они оста­ ются заполненными около 10-3 с и в течение этого времени не могут поглощать фотоны. Таким образом, уровень потерь в веществе понижается и может возникать лазерное излучение. Поскольку ловушки могут быть заполнены также и излучением с меньшей энергией фотонов (1,48 эВ), оказывается возможным наблюдать насыщение поглощения на длине волны 8400 Â, соответствующей излучению диода-на GaAs. Это было осуществлено эксперименталь­ но (фиг. 17.14). Производилась регистрация излучения с длиной

На фиг. 17.14 показано, что увеличение уровня возбуждения диода приводит к увеличению его пропускания на длине волны 8400 А.

Если пропускание излучения с длиной волны 8400 А измеряется в различные моменты времени после заполнения ловушек импуль­ сом тока через диод, то может быть зарегистрировано уменьшение заряда на ловушках. Можно показать, что при наблюдении возник­

новения лазерного излучения (с длиной волны 6440 А) на конце

Ф и г. 17.15. Уменьшение пропускания излучения из GaAs в зависимости от времени, прошедшего после окончания импульсного возбуждения лазера на GaAsj^Pj..

— уровень пропускания, когда ловушки в диоде из твердых растворов пустые.

импульса тока ловушки оказываются уже заполненными. На фиг. 17.15 приведена форма кривой пропускания, показы­ вающая, что возвращение к условию незаполненных ловушек про­ исходит за время порядка 1 мс..

Оптическое заполнение ловушек излучением с энергией около 1,48 эВ ясно показывает, что большая часть уровней захвата лежит глубоко, по крайней мере на 0,4 эВ ниже дна зоны проводи­ мости (которое в свою очередь находится на 1,9 эВ выше валент­ ной зоны). Однако это не исключает такого случая, когда распре­

активной области около ІО19 глубоких ловушек. Эти ловушки, природа которых неизвестна, действуют как насыщающиеся погло­ тители, и их заполнение происходит за счет поглощения спон­ танного излучения сразу после включения лазера. Время накопле­ ния электронов на ловушках велико (10_3 с), так что процесс запол­ нения ловушек может быть просуммирован в течение длительного времени, которое является временем задержки. Задержка умень­ шается с увеличением интенсивности излучения.