4. Оптические переходы в ср
4.1. Излучательные переходы в GaAs
Оптические измерения являются мощным методом исследования сверхрешеток, дающим прямую информацию об энергиях подзон и электронных свойствах, а также о фононных характеристиках различных сверхрешеточных структур. Важное место среди оптических методов занимает метод фотолюминесценции (ФЛ) - люминесценции, возбуждаемой оптическим излучением. Метод ФЛ начал применяться для исследования полупроводников в 60-х годах, но лишь в середине 70-х годов получил широкое развитие в связи с исследованием полупроводниковых гетероструктур и СР.
На рис.6 изображены возможные излучательные рекомбинационные процессы в прямозонном полупроводнике, таком как GaAs:
- зона проводимости - валентная зона (1),
- свободный (2) и связанный на нейтральной примеси (3) экситоны - валентная зона,
- зона проводимости - акцепторный уровень e-Ao (4),
- донор - акцептор Do - Ao (5),
- донор - акцептор с испусканием фонона (6).
Рис.6. Основные излучательные переходы электронов в прямозонном полупроводнике.
Таблица 1.
Энергия связи Ei основных примесей в GaAs и энергии e-Ao, Do - Ao переходов при 4,2К.
|
Элемент |
Ei (meV) |
e-Ao (eV) |
Do - Ao (eV) |
|
C |
26.0 |
1.4935 |
1.4892 |
|
Zn |
30.7 |
1.4888 |
1.4847 |
|
Si |
34.5 |
1.4850 |
1.4814 |
|
Ge |
40.4 |
1.4790 |
1.4746 |
Энергия связи между связанными состояниями донор - акцептор есть
,
(13)
где o - диэлектрическая проницаемость полупроводника, r - расстояние между донором и акцептором, Eg - ширина запрещенной зоны, Ea , Ed - энергии залегания доноров и акцепторов относительно зоны проводимости и валентной зоны соответственно.
Расстояние r зависит от уровня легирования образца Na + Nd , с ростом уровня легирования пик ФЛ сдвигается в сторону больших энергий, что может быть использовано для определения суммарной концентрации доноров и акцепторов Na + Nd . Необходимо учитывать, что к росту ионизованных центров и сдвигу пика ФЛ может приводить наблюдение ФЛ при достаточно больших уровнях оптической накачки.
Кроме излучательных переходов, изображенных на рис.6, имеют место безизлучательные рекомбинационные процессы с участием глубоких уровней, создаваемых кислородом, хромом, различными дефектами в GaAs.
4.2. Экситонные переходы в AlGaAs
Величину молевого состава x в составе AlxGa1-xAs можно определить по положению пика h связанных экситонных переходов при низких температурах
x = 0,8032(hэкс - 1,512) (14)
для 0 < x < 0,35. Таким путем можно определить x с точностью до 0,1%. Наличие острого, хорошо различимого пика hэкс в нелегированном AlxGa1-xAs является отражением качества материала.
4.3. Фл в GaAs/AlGaAs структурах с квантовыми ямами
Энергия ФЛ из GaAs квантовых ям, разделенных барьерами AlGaAs, находится как
E = Ee + Eh + Eg , (15)
где Ee и Eh - энергии нижних состояний электронов и дырок, которые могут быть вычислены из уравнения Шредингера для прямоугольной ямы с конечной глубиной - см. раздел 3. На рис.7 и 8 приведены соответствующие расчеты для переходов электрон - тяжелая дырка (e-hh) в зависимости от ширины ямы для квантовых ям GaAs/ Al0.3Ga0.7As и InGaAs/GaAs соответственно.
На рис.9 приведены характерные спектры ФЛ для СР, содержащей 7 квантовых ям различной толщины, разделенных Al0.2Ga0.8As барьерами. Ямы выращены с уменьшением толщины слоев к поверхности. Толщина каждой из ям указана на рисунке. Точность измерений толщин ям по спектрам ФЛ зависит от разного рода факторов, включая резкость гетероперехода, вариацию ширины ямы вдоль плоскости полупроводниковой пленки.
Рис.8. Положение пика фотолюминесценции Ефл для оптических переходов в квантовой яме GaAs/InxGa1-xAs между первыми уровнями электрон-тяжелая дырка (e1-hh1) при 77К.
Рис.9. Спектр ФЛ многоямной гетероструктуры GaAs/Al0.2Ga0.8As, содержащей семь квантовых ям различной ширины (ширина ямы указана рядом с пиком ФЛ).