Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное исследование люминесценции эрбия в полупроводниковых матрицах в последние годы вызвано тем. что длина волны 1.54 мкм. соответствующая оптическому переходу из первого возбужденного состояния 41]3<2 в основное состояние %$.-2 внутренней 4f-оболочки иона Ег3~. совпадает с минимумом потерь в современных кварцевых волоконно-оптических линиях связи. В отличие от диэлектрических матриц, где возбуждение ионов эрбия происходит прямым поглощением фотонов, в полупроводниковых матрицах возбуждение происходит через свободные носители заряда. Несмотря на высокий технологический уровень, достигнутый в создании источников излучения на межзонных переходах в полупроводниках Аш Bv. эрбий в полупроводниковых матрицах считается хорошей альтернативой из-за узкой и температурно-независимой длины волны излучения. Перспектива создания нового класса оптоэлектронных приборов, работающих на основе полупроводников, легированных эрбием, стимулировала интенсивную работу в этом направлении в ряде полупроводниковых центров.
Поэтому' актуальной проблемой является исследование фото- и
электролюминесценции эрбия в наиболее перспективных для
оптоэлектронных приложений полупроводниковых матрицах:
кристаллическом кремнии, аморфном гидрогенизированном кремнии и гетеропереходах на основе GaAs/AlGaAs.
Эффективность оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковой матрицы, легированной эрбием, будет определяться в первую очередь эффективностью передачи энергии от носителей заряда полупроводниковой матрицы во внутреннюю 4f- оболочку ионов эрбия. Поэтому исследование механизмов передачи энергии от свободных носителей заряда (электронов и/или дырок) сильно локализованным 4f-электронам эрбия, основное состояние которых находится ниже дна валентной зоны примерно на 10 эВ. является актуальной задачей физики полупроводников. Следует отметить. что здесь мы имеем дело с принципиально новым объектом физики полупроводников, где на первое место выступает взаимодействие между электронами и дырками полупроводника и почти свободными редкоземельными ионами. Кроме эффективности передачи энергии в 4f- оболочку эрбия, квантовый выход будет зависеть от механизмов девозбуждения эрбия и температурного гашения эрбиевой люминесценции.
Наибольший интерес вызывает кристаллический кремний.
легированный эрбием, так как он является базовым материалом современной электроники с хорошо отработанной технологией его получения.
Кристаллический кремний мог бы быть идеальным материалом для оптоэлектроники, поскольку его можно использовать для интегрируемых оптических цепей. Так как возможность создания волноводов, модуляторов и детекторов в кремнии уже продемонстрирована, одним из основных ограничений применения кремния в оптоэлектронике в настоящее время является получение эффективного, стабильного, совместимого с оптическим волокном источника света.
Аморфный гидрогенизированный кремний. обладающий полупроводниковыми свойствами, привлекает простотой и дешевизной получения оптически активной среды, содержащей эрбий. Еще одним достоинством этой аморфной матрицы является значительно более легкое получение фото- и электролюминесценции при комнатных температурах.
Интерес к исследованию эрбия в системе на основе GaAs/AlGaAs вызван тем, что в этом широкозонном полупроводнике возможна трехуровневая схема возбуждения ионов эрбия, что делает этот материал перспективным для создания квантовых усилителей и лазеров.
Целью настоящей работы является экспериментальное выявление и теоретическое подтверждение механизмов фото- и электровозбуждения, левозбуждения и температурного гашения эрбиевой люминесценции в кристаллическом кремнии, аморфном гидрогенизированном кремнии и в структурах на основе GaAs/AlGaAs. контроль технологии введения эрбия в эти полупроводниковые матрицы, разработка и создание новых светоизлучающих структур на длину волны 1.54 мкм.
Новое научное направление исследований. которое сформировалось в процессе выполнения диссертационной работы, - фото- и электролюминесценции полупроводниковых матриц, легированных эрбием.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлены механизмы электронного возбуждения, девозбуждения ионов эрбия и температурного гашения в кристаллическом кремнии как при фотовозбуждении, так и при электровозбуждении (при прямом и обратном смещении на р - п- переходе).
Впервые реализована трехуровневая схема возбуждения ионов эрбия в обратно смещенном р - n-переходе на основе кремния за счет резонансного оже-возбуждения в процессе рекомбинации электронов из Д:- подзоны зоны проводимости с дырками.
Впервые наблюдалась фотолюминесценция эрбия, и определен механизм
фотовозбуждения и температурного гашения фотолюминесценции в аморфном гидрогенизнрованном кремнии. полученном методом магнетронного распыления.
- Впервые наблюдалась и исследовалась электролюминесценция эрбия на
длине волны 1.54 мкм при комнатной температуре на основе аморфного
гидрогенизированного кремния, легированного эрбием.
- Предложена и разработана теоретическая модель электронного
возбуждения 4f- оболочки иона эрбия в аморфном гидрогенизнрованном
кремнии.
- Впервые наблюдалась и исследовалась интердиффузия А1 и Ga и
диффузия эрбия в системе AlGaAs/GaAs при введении эрбия в процессе
молекулярно- лучевой эпитаксии.
- Впервые исследован механизм возбуждения, дсвозбуждения и
температурного гашения эрбиевой люминесценции на переходе %у2 - %sc
во внутренней 4f- оболочке иона эрбия (1.54 мкм) в AlGaAs.
Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в получении обширной новой информации о механизмах возбуждения, девозбуждения эрбия и температурного гашения эрбиевой ФЛ в полупроводниковых матрицах для оптимизации уже существующих светоизлучающих структур на длине волны 1.54 мкм и создания новых. Полученные результаты отражают как общие закономерности механизмов возбуждения и температурного гашения эрбия в полупроводниковых матрицах, так и конкретные особенности, присущие каждой из исследовавшихся матриц.
Практическое значение имеет также и развитая в диссертационной работе оригинальная методика исследования механизмов возбуждения и температурного гашения, основанная на параллельном исследовании спектров матриц и электрических характеристик структур (в случае электролюминесценции). Развитая методика применима и к исследованию других редкоземельных ионов в полупроводниковых матрицах.
Достоверность полученных в диссертации основных результатов определяется использованием наряду с современными методами спектроскопии, проведением одновременно электрических измерений исследованных объектов и использованием методов полупроводникового материаловедения (SIMS, RBS), а также ясной физической трактовкой основных результатов, подтверждаемых разработанными теоретическими моделями и качественным и количественным согласием между расчетами и экспериментальными результатами.
Основные положения, выносимые защиту.
-
Во всех исследовавшихся в работе полупроводниковых матрицах определяющую роль в процессах возбуждения и девозбуждения 4f-оболочки ионов Ег*3 играют примесные состояния в запрещенной зоне полупроводника, обусловленные введением эрбия.
-
В кристаллическом кремнии при фотовозбуждении оптически активных ионов эрбия возбуждение происходит через захват свободных экситонов на нейтральный донорный уровень, образованный эрбий -кислородным комплексом с последующим оже-возбуждением 4f- оболочки эрбия при рекомбинации связанного экситона. Температурное гашение зрбиевой люминесценции определяется отрывом связанного экситона с донорного эрбиевого комплекса при низких температурах и ионизацией самого донорного центра при высоких температурах.
3. При электронном возбуждении эрбия в кристаллическом
кремнии в случае прямого смещения на р - п-переходе механизм
возбуждения и температурного гашения такой же. как и в случае
фотовозбуждения (экситонный).
4. При обратном смещении на р - n-переходе важную роль играет
подзона Д2 - зоны проводимости кремния, расположенная на 100 мэВ выше
основной подзоны Д). Туннелирующие электроны из валентной зоны
переходят сразу в эту подзону Д;.
5. Горячая люминесценция в кристаллическом кремнии при
обратном смещении обусловлена прямыми разрешенными излучателъными
переходами электронов из Д2 - подзоны в Ді -подзону зоны проводимости.
6. При обратном смещении на р - п-переходе механизм
возбуждения - оже-процесс рекомбинации электронов из второй подзоны
зоны проводимости с дырками валентной зоны. При температуре 150-170К
этот процесс становится резонансным. При этом важным является то обстоятельство, что возбуждение иона эрбия происходит из основного состояния во второе возбужденное, что благоприятно для создания инверсной заселенности метастабильного уровня 41ип, переход с которого в основное состояние ^Ijy; сопровождается излучением на длине волны 1.54 мкм.
7. В основе механизма фотовозбуждения ионов эрбия в аморфном
гидрогенизированном кремнии лежит оже-процесс. При этом электрон из
зоны проводимости захватывается дефектом в состоянии D0 с образованием
состояния D'. и за счет кулоновского взаимодействия энергия передается 4f
-ОбОЛОЧКе ИОНа Эрбия. В КОТОРОЙ Осуществляется ПереХОД I]50 ~> І13-2-
Температурное гашение эрбиевой люминесценции в этой матрице
обусловлено многофононным процессом -захвата носителей, конкурирующим с оже - процессом возбуждения.
8. На основе аморфного гидрогенизированного кремния,
легированного эрбием. возможно создание эффективной
электролюминесцентной структуры, излучающей на переходе 4ІІ5/; - 'їїз/2 4f
- оболочки иона эрбия (1.54 мкм) при комнатной температуре. В основе
механизма возбуждения электролюминесценции лежит монополярный
процесс - захват электронов на D" центры, сопровождающийся оже-
возбуждением ионов эрбия с последующей обратной
термостимулированной туннельной эмиссией электронов в сильном
электрическом поле с уровня D" в зону проводимости.
9. Введение эрбия молекулярно-лучевой эпитаксией в квантовые
ямы AlGaAs/GaAs приводит к сильной диффузии Ег и взаимодиффузии Ga
и А1, в результате которой происходит разрушение квантовых ям. Это
явление обусловлено значительно большими размерами эрбиевого иона, по
сравнению с ионами Ga и А1. что приводит к повышенной концентрации
вакансий и. соответственно, к увеличению коэффициента диффузии.
-
В AlGaAs возбуждение 4f- оболочки иона эрбия происходит через верхние возбужденные состояния It,,; и 1)2 2 что делает этот материал перспективным для создания квантовых усилителей и лазеров. Температурное гашение эрбиевой люминесценции, возбуждаемой через мелкие ловушки, обусловлено термическим опустошением дефектных уровней. Температурное гашение эрбиевой люминесценции, возбуждаемой через глубокую ловушку. связано с многофононным термостимулированным переходом.
-
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались: на 10 Международном Феофиловском семинаре (Россия). 1995 г.. 18-ой Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Япония), 1995 г., 2-ой Российской конференции по физике полупроводников (Россия), 1996 г., Весенней конференции общества по исследованию материалов (США). 1996 г.. 17-ой Международной конференции по аморфньві и микрокристаллическим полупроводникам (Венгрия). 1997 г., 19-ой Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Португалия). 1997 г.. 23- ей Международной конференции по физике полупроводников (Германия), 1996 г.. конференции Международного общества оптической техники (США), 1997 г.. Всероссийском совещании "Наноструктуры на основе кремния и германия". 1998 г.. Европейской весенней конференции общества по исследованию материалов (Франция). 1998 г.. 24-ой Международной конференции по физике полупроводников (Израиль). 1998 г.
Публикации. По результатам исследований, изложенным в диссертации, опубликовано 35 научных работ в ведущих отечественных и международных журналах, а также в трудах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех частей, заключения, двух приложений и списка литературы из 90 наименований. Объем диссертации составляет 208 страниц, включая 87 рисунков и одну таблицу.
