Содержание к диссертации
Введение
1 Электролюминесценция в напряженных микроструктурах /;-GaAsN/GaAs и квантовых ямах w-GaAs/AlGaAs в дальнем инфра красном диапазоне 17
1.1 Введение 17
1.1.1 Деформация и расщепление вырожденных состояний энергетического спектра 17
1.1.2 Стимулированное дальнее ИК излучение из одноосно деформированного p-Ge 28
1.1.3 Донорный центр в квантовой яме 32
1.1.4 Постановка задачи 35
1.2 Техника эксперимента , 36
1.2.1 Образцы 36
1.2.2 Экспериментальные установки 40
1.3 Экспериментальные результаты их обсуждение 45
1.3.1 Вольт-амперные характеристики 45
1.3.2 Интегральные характеристики электролюминесценции . 53
1.3.3 Спектральные характеристики электролюминесценции . 60
1.4 Заключение 64
2 Поглощение и модуляция излучения в структурах с квантовыми ямами/7-GaAs/AlGaAs в среднем инфракрасном диапазоне 65
2.1 Введение 65
2.1.1 Размерное квантование валентной зоны 65
2.1.2 Акцепторный центр в квантовой яме 71
2.1.3 Постановка задачи 76
2.2 Техника эксперимента 77
2.2.1 Образцы 77
2.2.2 Экспериментальные установки 79
2.3 Экспериментальные результаты их обсуждение 81
2.3.1 Равновесная концентрация дырок 81
2.3.2 Спектры равновесного поглощения 84
2.3.3 Модуляция поглощения в электрическом поле 94
2.4 Заключение 98
3 Электролюминесценция в структурах с квантовыми ямами jp-GaAs/AlGaAs и в эпитаксиальных слоях w-GaN в дальнем инфра красном диапазоне 100
3.1 Введение 100
3.1.1 Дальнее ИК излучение мелких доноров и акцепторов при пробое примеси электрическим полем 100
3.1.2 Дальнее ИК излучение мелких доноров в кремнии . 105
3.1.3 Постановка задачи 106
3.2 Техника эксперимента 107
3.2.1 Образцы 107
3.2.2 Экспериментальные установки 107
3.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение 108
3.4 Заключение 118
4 Фотоиндуцированное поглощение в структурах с квантовыми точками p-Ge/Si 119
4.1 Введение 119
4.2 Техника эксперимента 123
4.2.1 Образцы 123
4.2.2 Экспериментальная установка 123
4.3 Экспериментальные результаты их обсуждение 126
Заключение 129
Список публикаций автора 131
Литература 136
- Вольт-амперные характеристики
- Акцепторный центр в квантовой яме
- Модуляция поглощения в электрическом поле
- Дальнее ИК излучение мелких доноров в кремнии
Введение к работе
Актуальность темы. Изучение специфических квазилокализованных (или резонансных) состояний, наводимых в полупроводниках и полупроводниковых структурах мелкими примесными донорными и акцепторными центрами, представляет интерес как с фундаментальной точки зрения, так и в связи с возможностью создания твердотельных источников терагерцового излучения. Возрастающий в последнее время интерес к терагерцовому (ТГц) излучению связан с широкими возможностями его применения в различных областях науки и техники.
В то же время существующие на настоящий момент полупроводниковые источники дальнего инфракрасного излучения сдерживают его потенциальные применения, поскольку они требуют криогенных (4 К) температур и сильных электрических и магнитных полей (лазер на p-Ge в скрещенных электрических и магнитных полях), либо сильного механического давления (лазер на одноосно-деформированномр-Ge). Развивающиеся в последнее время квантово-каскадные лазеры на этот диапазон крайне сложны в изготовлении. Системы, в которых эмиссия ТГц излучения осуществляется за счет генерации разностной частоты в нелинейной среде отличаются малой эффективностью преобразования и требуют сложных конструктивных решений для обеспечения режима синхронизации мод.
В основе физического механизма стимулированного излучения из одноосно-деформированного p-Ge [1, 2] лежит инверсная населенность резонансного и основного состояний акцептора [2, 3, 4, 5]. Резонансные состояния акцепторов возникают вследствие расщепления валентной зоны внешним давлением [6]. Однако резонансные состояния примесей могут возникать и без внешнего давления в структурах с квантовыми ямами. Такие состояния мелких примесей наблюдались, например, при исследовании спектров фотопроводимости в структурах с квантовыми ямами Ge/GeSi [7], развиты теоретические методы расчета параметров резонансных состояний [8, 9, 10, 11, 12, 13]. В таких системах, в принципе, также возможно появление стимулированного ТГц излучения при низких температурах в электрическом поле.
В настоящей работе для наблюдения ТГц излучения при переходах носителей заряда между резонансными и локализованными состояниями предлагается использовать напряженные микроструктуры p-GaAsN/GaAs, в которых внешнее давление заменяется встроенными механическими напряжениями, и структуры с квантовыми ямами rc-GaAs/AlGaAs. В обоих типах структур имеются резонансные состояния мелких примесей.
Прямое наблюдение резонансных состояний в спектрах оптического поглощения в терагерцовом диапазоне сопряжено с экспериментальными трудностями. В настоящей работе проведено исследование спектров оптического поглощения в легированной акцепторами структуре с узкими квантовыми ямами р-GaAs/AlGaAs, в которой спектральные особенности поглощения, связанные с резонансными состояниями, лежат в среднем ИК диапазоне.
Известны также эксперименты по наблюдению стимулированного ТГц излучения в объемном p-Si при оптической накачке СОо лазером [14] и спонтанного ТГц излучения в Si п- ир-типа при электрической накачке [15, 16, 17, 18, 19]. Эмиссия излучения обусловлена внутрицентровыми переходами носителей между локализованными долгоживущим возбужденным и основным состояниями примесных центров, и наблюдалась при температурах ниже 40 К.
В работе также предложено исследовать эмиссию ТГц излучения при внут-рицентровых переходах носителей при пробое примесей электрическим полем в структурах с квантовыми ямами /?-GaAs/AlGaAs и в эпитаксиальных пленках я-GaN. Размерное квантование позволяет в известной степени изменять энергетический спектр мелких примесей внутри квантовой ямы. Малая плотность состояний зоны проводимости в нитриде галлия позволяет расширить температурный диапазон наблюдения ТГц излучения до 80 К.
Кремний традиционно считается "не оптическим"материалом, поскольку экстремумы зоны проводимости и валентной зоны находятся в разных точках зоны Бриллюэна. В то же время развитие микроэлектроники связывается сейчас с активным использованием оптической связи между различными элементами интегральных схем. Структуры с самоорганизованными квантовыми точками Ge/Si обладают фоточувствительностью в области энергий кванта менее ширины запрещенной зоны кремния (см., например, [20]), обусловленной межзонными оптическими переходами из основного состояния квантовой точки в валентной зоне в зону проводимости кремния; также наблюдалась и электролюминесценция из таких структур. Спектральное перекрытие электролюминесценции и фотопроводимости в таких структурах делает возможным разработку оптоэлек-тронной пары [21], работающей в ближнем ИК, где собственное поглощение в Si мало, что позволит использовать кремниевые волноводы. Такие системы могут достаточно легко быть интегрированы в существующую кремниевую технологию.
В то же время такие системы интересны с фундаментальной точки зрения. В работе приводятся результаты экспериментальных исследований спектров фо-тоиндуцированного поглощения в структурах с Si/Ge квантовыми точками в средней ИК области. В полученных спектрах для разных поляризаций излучения можно выделить вклады от оптических переходов из основного и возбуж- денного состояний дырок в континуум делокализованных состояний над барьером, а также от межуровневых переходов дырок.
Основной целью диссертационной работы является исследование оптических явлений в полупроводниках и полупроводниковых структурах при возникновении в них резонансных состояний мелких примесных центров, а также оптических явлений, обусловленных неравновесным заселением возбужденных локализованных состояний носителей заряда. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
Экспериментальное исследование эмиссии терагерцового излучения в структурах с напряженными слоями p-GaAsN на GaAs в сильных электрических полях в условиях пробоя акцепторов, обусловленной неравновесным заселением резонансных состояний, возникающих благодаря расщеплению валентной зоны встроенными механическими напряжениями.
Проведение аналогичных исследований в структурах с широкими квантовыми ямами и-GaAs/AlGaAs, в которых резонансные состояния доноров возникают благодаря пространственному ограничению волновых функций мелкой примеси.
Экспериментальное исследование оптического поглощения в среднем ИК диапазоне в узких квантовых ямах /?-GaAs/AlGaAs, обусловленного наличием резонансных состояний акцепторов, в равновесных условиях и при разогреве дырок продольным электрическим полем.
Экспериментальное исследование терагерцовой электролюминесценции в структурах с узкими квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs, а также в эпитак-сиальных слоях ra-GaN, в которых излучение обусловлено неравновесным заселением локализованных возбужденных состояний мелких примесных центров в условиях пробоя примесей электрическим полем.
5. Исследование фотоиндуцированного поглощения в структурах с самоорганизованными квантовыми точками Ge/Si.
Основные полученные а работе результаты обладают существенной научной новизной, или получены на новых объектах — полупроводниковых микро-и наноструктурах и обладают существенными элементами новизны. Полученные результаты важны не только для физики полупроводников и физики низкоразмерных систем, но имеют и прикладное значение, например, для разработки новых источников терагерцового излучения или разработки детекторов излучения среднего ИК диапазона.
Научная и практическая значимость работы.
Большая часть исследований относится к такой актуальной области, как полупроводниковые нанотехнологии. Обнаружен ряд явлений (излучение и поглощение света терагерцового и ИК диапазонов, связанное с переходами носителей заряда между резонансными и локализованными состояниями примесных центров в микро- и наноструктурах с квантовыми ямами, поглощение света в квантовых точках Ge/Si, обусловленное переходами дырок из возбужденных состояний, модуляция света в наноструктурах в сильных электрических полях при пробое примесей и др.), данные о которых расширяют представление о физических явлениях в полупроводниках. Результаты могут быть использованы при конструировании источников и детекторов терагерцового и ИК диапазонов. Научные положения, выносимые на защиту.
1. Экспериментально наблюдаемая эмиссия терагерцового излучения в микроструктурах p-GaAsN/GaAs и наноструктурах n-GaAs/AlGaAs в условиях примесного пробоя при температуре жидкого гелия обусловлена главным образом наличием резонансных состояний мелких примесей в обоих типах структур. Доминирующий вклад в излучение дают внутрицентровые оптические переходы между резонансными и локализованными состояни- ями примесных центров.
Спектры поглощения света в наноструктурах с квантовыми ямами р-GaAs/AlGaAs, легированных акцепторами, позволяют установить наличие резонансных состояний мелких акцепторных примесей и их энергетический спектр. Оптическое поглощение при переходах дырок из основного состояния акцептора в резонансные состояния, подвешенные к возбужденным подзонам размерного квантования, происходит при той же поляризации излучения, что и межподзонные переходы из первой в соответствующие возбужденные подзоны размерного квантования дырок в условиях, когда энергетический зазор между подзонами существенно превышает энергию связи основного состояния.
Экспериментально наблюдаемое оптическое просветление структуры с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs в электрическом поле при температуре жидкого азота в области равновесного поглощения при переходах в резонансное состояние обусловлено процессами примесного пробоя и уменьшением числа нейтральных акцепторов.
Экспериментально наблюдаемая эмиссия терагерцового излучения в структурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs и в эпитаксиальных пленках n-GaN обусловлена неравновесным заселением возбужденных состояний примесных центров в процессе пробоя примеси электрическим полем.
В спектрах поглощения света Ge/Si квантовыми точками при межзонной оптической накачке имеются пики, связанные с переходами дырок как из основного, так и из возбужденных состояний.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались автором на российских и международных конференциях, в частности:
15th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Novosibirsk, Russia, June 25-29, 2007
Симпозиум "Полупроводниковые лазеры: физика и технология", С.Петербург, 5-7 ноября 2008. X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников, опто- и наноэлектронике, СанктПетербург, 1-5 декабря 2008.
Нанофизика и наноэлектроника-2009, март 16-20, Нижний Новгород.
IX Российская конференция по физике полупроводников, 28 сентября - 3 октября 2009 г., Новосибирск — Томск
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 статьях и докладах, среди которых 8 публикаций в ведущих рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях и 10 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 154 страницы, в том числе 51 рисунок, 3 таблицы. Список литературы включает 137 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, определены цели работы, научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 рассматриваются результаты проведенных исследований терагер-цовой электролюминесценции напряженных структур /7-GaAsN/GaAs и структур с квантовыми ямами я-GaAs/AlGaAs. Во введении к главе описьшаются основные теоретические предпосылки, определяющие механизм возникновения терагерцового излучения из исследуемых структур. Приводятся данные о стимулированном терагерцовом излучении, наблюдавшемся в одноосно деформированном n-Ge при низких температурах в электрических полях [3] и в напряженной квантовой яме Si/SiGe [22]. Описываются методы расчета энергии резонансных состояний примесей в деформированных полупроводниках и в квантовых ямах.
Во второй части главы подробно описаны исследуемые структуры и применяемая методика исследований. В микроструктурах GaAsN/GaAs, легированных бериллием, благодаря встроенным механическим напряжениям происходит расщепление края валентной зоны и образование резонансных состояний бериллия. В структурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, легированными кремнием, резонансные состояния доноров возникают благодаря размерному квантованию.
В третьей части приводятся результаты измерений вольт-амперных характеристик исследуемых образцов в широком диапазоне температур и электрических полей, зависимостей интегральных характеристик излучения от мощности электрической накачки при температуре жидкого гелия, а также измерений спектров терагерцового излучения. На измеренных вольт-амперных характеристиках исследуемых образцов при температуре жидкого гелия наблю- даются участки быстрого роста электропроводности, соответствующие ударной ионизации примесей электрическим полем. Одновременно с началом примесного пробоя появляется интенсивное ТГц излучение. В спектрах излучения наблюдаются линии, соответствующие оптическим переходам из резонансных состояний примесей.
Таким образом, анализ полученных в результате комплекса проведенных экспериментов данных показывает, что излучение в обоих типах структур возникает благодаря одновременному опустошению основного состояния мелкой примеси электрическим полем за счет процессов ударной ионизации и накоплению носителей вблизи энергии резонансного состояния.
Вольт-амперные характеристики
Несмотря на то, что исследования вольт-амперных характеристик в контексте данной работы были интересны с точки зрения определения диапазона электрических полей, в котором происходит ионизация существенного числа акцепторных центров, полученные зависимости представляют и самостоятельный интерес. Исследования низкотемпературной проводимости проводились в довольно широком диапазоне электрических полей (от 1 В/см до 2000 В/см), при этом для образцов с малой концентрацией легирующей примеси наблюдались участки прыжковой проводимости в области малых полей, далее происходил примесный пробой с увеличением проводимости на порядки. Измеренные при температуре жидкого гелия вольт-амперные характеристики эпитаксиальных пленок GaAs и структур с напряженными слоями GaAsN представлены на рис. 1.11. Сравнивая ВАХ для ненапряженных эпитаксиальных пленок GaAs с различной концентрацией бериллия, можно заключить, что линейные участки вольт-амперных характеристик в допробойной области электрических полей (Е 100 В/см) связаны с прыжковой проводимостью. Действительно, при понижении концентрации легирующей примеси с 4.2 х 1017 до 1.2 х 1017 см _3 проводимость в этой области уменьшается в примерно на пять порядков, что соответствует известной экспоненциальной зависимости подвижности /ihop от концентрации, характерной для прыжковой проводимости [49]: где о — эффективный боровский радиус, для бериллия в арсениде галлия равный а = 3.9 нм [46]. При увеличении напряженности электрического поля в слаболегированных образцах наблюдается резкий (на несколько порядков) рост электропроводно сти, соответствующий примесному пробою. В достаточно сильных полях, когда все акцепторы уже ионизованы, ВАХ снова выходит на линейную зависимость и определяется подвижностью дырок в зоне. Отметим, что при NA = 4.2 х 1017 см 3 подвижность дырок при прыжковой проводимости близка к подвижности дырок в валентной зоне и участок примесного пробоя практически незаметен, что связано с квантовым уширением акцепторного уровня. ВАХ микроструктуры с напряженными слоями GaAsN с уровнем легирования 3 х 1017 см-3 имеет подобный вид; в полях до 100 В/см наблюдается прыжковая проводимость, затем начинается примесный пробой и проводимость легированных слоев растет на два порядка благодаря увеличению числа свободных дырок в валентной зоне. Аналогично, при уменьшении NA
В три раза падение проводимости при уменьшении электрического поля начинает идти более резко, линейный участок прыжковой проводимости в слабых полях для структуры с N A — 1 х 1017 см-3 характеризуется, судя по всему, очень малыми величинами проводимости и в эксперименте не измерялся. ВАХ сильнолегированной напряженной структуры /?-GaAsN/GaAs с концентрацией бериллия NA — 2 х 1018 см 3 качественно повторяет вольт-амперную характеристику сильнолегированной ненапряженной пленки GaAs:Be. Наблюдается практически линейный рост плотности тока с напряженностью электрического поля, что объясняется сильным квантовым уширением акцепторного уровня и образованием примесной зоны. Вольт-амперные характеристики трех образцов, выколотых из разных частей структуры Ер358 с NA = 3 Х 1017 см-3, измеренные при гелиевой температуре, показаны на рис. 1.12 вместе с ВАХ одного из образцов из той же структуры при Т = 77 К. Замечая в скобках хорошую воспроизводимость результатов измерений ВАХ для трех образцов, видим, что при Т = 77 К практически все акцепторы термически ионизованы, и ВАХ близка к линейной. ВАХ при Т = 4.2 К в сильных полях практически сливается с азотной; таким образом, пренебрегая слабой зависимостью подвижности от температуры, можно заключить, что при температуре жидкого гелия в поле Е 2000 В/см практически все акцепторные центры являются ионизованными электрическим полем за счет процессов ударной ионизации. Аналогичные измерения были проведены на образцах с квантовыми ямами. На рис. 1.13 представлены результаты исследований вольт-амперных характеристик обоих типов структур при температурах жидкого гелия, азота и комнатной. Для сильнолегированной структуры 7-204 при температуре жидкого гелия наблюдается участок примесного пробоя в полях более 10 В/см с увеличением проводимости двумерного электронного газа примерно на порядок при переходе от прыжкового механизма к проводимости по первой подзоне размерного квантования. При азотной температуре ВАХ практически линейна во всем диапазоне прикладываемых полей, что связано с полной термической ионизацией доноров в структуре при данной температуре. Сравнивая гелиевые кривые для двух образцов, можно заключить, что с уменьшением концентрации доноров в три раза низкотемпературная проводимость в допробойных электрических полях падает примерно на пять порядков, что согласуется с экспоненциальной зависимостью (1.33) подвижности носителей при прыжковой проводимости (заметим, что в двумерном случае зависимость (1.33) характеризуется другой величиной числового множителя в числителе выражения под экспонентой). Для слаболегированной структуры 7-935 примесный пробой приводит к увеличению проводимости на 5 порядков с увеличением напряженности прикладываемого электрического поля от 4 до 100 В/см. Аналогично, при высоких (азотная и комнатная) температурах доноры термически ионизованы, однако ВАХ слаболегированной структуры проявляют заметную нелинейность, связанную с зависимостью подвижности электронов от электрического поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полях более 100 В/см, приводя к насыщению дрейфовой скорости электронов в первой подзоне при любой температуре решетки. Подвижность горячих электронов в общем случае является достаточно сложной функцией электрического поля и температуры решетки и определяется доминирующими механизмами рассеяния носителей. Исходя из измеренных вольт-амперных характеристик, подвижность как функция поля достигает своего максимального значения при Е 50 В/см. При уменьшении поля уменьшается температура электронов, что приводит к росту вероятности рассеяния на ионизованных примесях. При увеличении поля температура электронов растет и становятся возможными процессы рассеяния с испусканием продольных оптических фононов. Поскольку при азотной и комнатной температурах концентрация свободных электронов не зависит от электрического поля и равна концентрации доноров, из В АХ для соответствующих температур можно восстановить ход зависимости подвижности двумерных электронов от поля. На рис. 1.14 представлена зависимость подвижности электронов, нормированной на максимальное значение, от поля для двух температур. В полях более 100 В/см подвижность падает по закону Е 1, характерному для рассеяния на оптических фононах [50, 51]. Именно этот механизм рассеяния является доминирующим в полях свыше 0.5 кВ/см и играет определяющую роль при насыщении дрейфовой скорости носителей.
Акцепторный центр в квантовой яме
Вопрос об энергетическом спектре акцепторного центра, помещенного внутрь ограничивающего потенциала квантовой ямы, изучался экспериментально с помощью исследований спектров оптического поглощения в дальней ИК области [64, 65] и спектров межзонной фотолюминесценции [65, 66, 67, 68] в структурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs с различным содержанием алюминия в барьере, с различными ширинами квантовых ям и с различными уровнями легирования бериллием. Простая теоретическая модель мелкого примесного водородоподобного центра в квантовой яме построена в работе [69]. Вариационным методом получены зависимости энергии ионизации основного состояния примеси от ширины квантовой ямы в приближении эффективной массы в однозонной изотропной модели для случая квантовой ямы с бесконечно высокими потенциальными стенками. Благодаря дополнительной локализации носителей на примесном центре, привносимой ограничивающим потенциалом квантовой ямы, энергия связи основного состояния примеси в квантовой яме увеличивается по сравнению с объемным случаем. С уменьшением толщины ямы энергия связи монотонно растет. В работах [70, 71] показано, что при учете конечной выстоты потенциальных барьеров энергия связи с уменьшением толщины ямы проходит через максимум, что обусловлено проникновением волновой функции основного состояния под барьер и ухудшением локализации в случае очень тонкой ямы. Последовательный учет сложного строения валентной зоны при расчетах спектра мелкого акцептора в квантовой яме был проведен в работах [72, 73, 74], в последней из которых вариационными методами рассчитаны энергии основного и возбужденных состояний бериллия в квантовых ямах различной ширины в условиях приложенных к структуре внешних магнитных и электрических полей и механической деформации (а также и без внешних возмущений).
Энергия связи бериллия в объемном материале GaAs составляет 28 мэВ [45]. Обобщение полученных в указанных выше работах экспериментальных и теоретических данных о энергии связи бериллия в квантовой яме позволяет заключить, что энергия ионизации бериллия имеет максимальное значение, примерно в 2 раза превышающее объемное, в яме шириной около 25 А Уменьшение энер о гии связи предсказывается теоретически при Lw 20Д однако экспериментально эффект не наблюдался в связи с невозможностью получения образцов с достаточно тонкими слоями материала квантовой ямы. С увеличением ширины ямы энергия связи монотонно спадает до своего объемного значения. При этом энергия связи основного состояния бериллия в яме достаточно слабо зависит от высоты ограничивающего потенциала квантовой ямы, поскольку высота барьера намного превышает энергию связи. Теоретические и экспериментальные данные разных авторов представлены на рис. 2.3. Энергия возбужденных состояний акцепторных примесей в объемном GaAs достаточно хорошо изучена при исследовании спектров оптического пропускания и фотопроводимости в дальней ИК области (см., например, [77]). Подобные работы, как теоретические, так и экспериментальные, есть и по акцепторам в квантовых ямах. Теоретические расчеты энергии связи возбужденных состояний проводились, в частности, в [74] вариационными методами. Следует отметить, что предварительный теоретико-групповой анализ, проведенный на основании того, что симметрия в квантовой яме уменьшается с Тд до Doa, позволил авторам [74] значительно упростить численные расчеты и свести количество вариационных параметров для минимизации энергии с 169 до 36. На рис. 2.4 приведены данные различных авторов о энергии оптического перехода между основным состоянием бериллия Is и возбужденным состоянием типа 2р в зависимости от ширины квантовой ямы. В квантовой яме в связи с понижением симметрии трехкратно вырожденное состояние типа 2р расщепляется на два состояния 2рх и 2р , причем на положение первого размерное квантование влияет достаточно слабо, тогда как второе при определенной ширине квантовой ямы становится резонансным.
Модуляция поглощения в электрическом поле
Исследования изменения коэффициента поглощения структуры, вызванного приложением электрического поля, велись в области пика равновесного поглощения излучения р-поляризации. Спектры модуляции поглощения, полученные с помощью перестраиваемого по длине волны СОо лазера, приведены на рис. 2.17 для трех значений электрического поля. Экспериментальный спектр модуляции поглощения представляет собой узкий пик, положение которого соответствует переходам дырок из основного состояния бериллия в резонансное состояние, связанное с подзоной hho {hw = 116 мэВ). С ростом напряженности электрического поля спектральное положение пика остается неизменным, а величина модуляции поглощения вблизи спектрального максимума монотонно сверхлинейно растет (рис. 2.18). Полученные экспериментальные данные позволяют предположить, что в сильных электрических полях происходят процессы частичной ионизации примесей электрическим полем, при этом уменьшается заселенность основного состояния бериллия, и, как следствие, уменьшается вклад в коэффициент поглощения оптических переходов из основного состояния бериллия в резонансное. Как отмечалось ранее, процесс примесного пробоя при азотной температуре выражен на вольт-амперной характеристике в виде достаточно слабого отклонения зависимости от линейной, что качественно объяснялось сильной зависимостью подвижности дырок от электрического поля. Измерения полевой зависимости модуляции позволяют количественно описать подвижность дырок в первой подзоне в области сильных электрических полей. Действительно, на линейном участке вольт-амперной характеристики, который наблюдается при малых напряженностях электрического поля Е, плотность тока определяется не зависящими от поля равновесной концентрацией дырок по и подвижностью fjbo в первой подзоне: jo = enofioE.
Проведенные выше расчеты показывают, что при температуре решетки Т = 94 К равновесная концентрация равна По = 3.51 х 1010 см-2, тогда подвижность на линейном участке ВАХ можно оценить как цо — 870 . С ростом поля одновременно происходит увеличение полной концентрации дырок в подзоне hh\ на величину Ап(Е) за счет процессов примесного пробоя, и изменение подвижности ц{Е) = //о + Afl(E) из-за разогрева дырок электрическим полем. Плотность тока можно записать в виде j = e(no+An(E))(fio + Afi(E))E. Учитывая, что полевая зависимость An может быть определена по экспериментальной зависимости от поля величины лт AaL модуляции поглощения: An — ЇМ А—г-» где А — концентрация акцепторов, аь можно найти зависимость подвижности дырок от поля в области примесного пробоя Рассчитанная полевая зависимость подвижности дырок приведена на рис. 2.19. В полях более 4 кВ/см зависимость подвижности от поля выходит на закон Е 1, характерный для рассеяния на оптических фононах. Приведенные в данной главе результаты экспериментальных исследований спектров равновесного и неравновесного оптического поглощения среднего ИК излучения в легированных акцепторами структурах с узкими квантовыми ямами /?-GaAs/AlGaAs являются первым прямым экспериментальным доказательством существования резонансных акцепторных состояний в квантовых ямах, привязанных ко второй и вьппележащим подзонам размерного квантования валентной зоны. Из полученных экспериментальных данных оценены энергии связи резонансных состояний бериллия в исследуемой квантовой яме, оценено полное время жизни носителей на резонансных состояниях. Дополнительно, исследование изменения поглощения в электрическом поле совместно с измерениями вольт-амперных характеристик позволило изучить зависимость подвижности горячих двумерных дырок от электрического ПОЛЯ. Механизм увеличения проводимости легированных полупроводников при определенном значении прикладываемого к нему электрического поля при гелиевых температурах в настоящее время достаточно хорошо изучен. Это явление, получившее название примесного пробоя, связано с резким увеличением концентрации свободных носителей тока в полупроводнике. При низких температурах, когда все примесные центры выморожены, приложение электрического поля может приводить к лавинообразному увеличению концентрации свободных носителей как минимум по трем причинам. Во-первых, электрическое поле приводит к наклону зон, при этом потениал кулоновского центра видоизменяется так, что становится возможным прямое
Дальнее ИК излучение мелких доноров в кремнии
В дальнейшем было обнаружено [14] и детально изучено [93, 94,95, 96, 97,98, 99] стимулированное дальнее ИК излучение из объемного кремния при оптической накачке СО2 лазером, возникающее за счет инвертированного заполнения локализованных состояний донорных примесей. При этом фотовозбужденный электрон релаксировал с испусканием акустических и оптических фононов и захватывался на долгоживущий возбужденный уровень типа 2р. Инверсия достигалась между этим долгоживущим уровнем и состояниями ls(E) и Is (То), с которых происходил эфективный сброс электронов на основное состояние ls(A) с эмиссией фононов. Схема переходов иллюстрируется рисунком 3.2. При электрической накачке наблюдалось спонтанное дальнее ИК излучение в условиях ударной ионизации примесей в кремнии [15, 16, 17, 18, 19]. Основной целью экспериментальных исследований, описанных в настоящем разделе, является исследование дальнего ИК излучения в условиях пробоя примеси электрическим полем в эпитаксиальных пленках и-GaN и в квантовых ямах/7-GaAs/AlGaAs, обусловленного внутрицентровыми оптическими переходами из возбужденных состояний мелких примесей. Детальное описание структуры с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs приведено в разделе 2.2.1. Из структуры были выколоты образцы размерами около 3x5 мм2. Образцы были снабжены электрическими контактами, изготавливавшимися путем вжигания узких полосок индия при Т = 450 С, и позволявшими прикладывать латеральное электрическое поле ко всем слоям квантовых ям. Расстояние между контактами составляло 2.5 мм. Эпитаксиальные слои нитрида галлия выращивались методом металлоорга-нического осаждения из газовой фазы (MOVPE) на подложке из сапфира толщиной 450 мкм. Эпитаксиальная пленка имела структуру вюрцита. Толщина пленки составляла 4 мкм. Контакты к пленке GaN изготавливались путем напыления через маску слоя титана (Ті) толщиной 20 нм, а затем слоя золота (Аи) ТОЛЩИНОЙ 200 нм. Имелось 4 разных структуры с различными концентрациями нескомпенсиро-ванных доноров. Три из них легировались кремнием до концентрации 3.6 х 1017, 1.6 х 1018 и 3.4 х 1018 см-3. Еще одна структура специально не легировалась, при этом концентрация остаточных примесей кремния и кислорода составляла 4.5 х 1016 см-3.
Подвижность электронов при комнатной температуре уменына-лась от 277 гх в самом чистом образце до /хо = 205 тф - в самом сильнолегированном образце. Исследование спонтанной эмиссии дальнего инфракрасного излучения из изучаемых объектов производилось на экспериментальных установках, описанных в разделах 1.2.2.1 и 1.2.2.2. На рис. 3.3 показаны измеренные вольт-амперные характеристики четырех образцов нитрида галлия с разной концентрацией доноров при температуре жидкого гелия. Для трех образцов с концентрацией 4.5 х 1016 см-3, 3.6 х 1017 см-3 и 1.6 х 1018 см-3 в области малых прикладываемых напряжений зависимость тока от напряжения близка к степенной с показателем 2, что характерно для инжекционных токов, ограниченных пространственным зарядом. С увеличением прикладываемого напряжения становятся существенными процессы ударной ионизации доноров, что приводит к росту концентрации свободных электронов в зоне проводимости и к быстрому росту плотности тока. Когда все примеси оказьшаются ионизованными электрическим полем, ВАХ выходит на линейную зависимость, а затем практически сразу наступает насыщение плотности тока, связанное с зависимостью подвижности горячих электронов от электрического поля [100, 101, 102]. Видно, что с увеличением концентрации доноров пороговое поле примесного пробоя уменьшается, что может быть связано с классическим уширением основного состояния примеси. Совсем другое поведение демонстрирует образец с концентрацией 3.4 х 1018 см-3. В области слабых и сильных полей имеет место линейная зависимость тока от напряжения, в переходной области наблюдается небольшой сверхлинейный рост тока с напряжением с увеличением проводимости примерно в 2 раза. Такое поведение может быть объяснено достаточно сильным квантовым уширением основного состояний донора, которое имеет место при такой концентрации, и образованием примесной зоны. Таким образом, ток в слабых полях обусловлен проводимостью по примесной зоне, а в сильных полях происходит переход электронов в зону проводимости. Заметим, что исходя из измеренной ВАХ, подвижность электронов в примесной зоне всего в 2 раза меньше подвижности электронов в зоне проводимости. На рис. 3.4 представлены вольт-амперные характеристики специально нелегированного образца при трех температурах. При комнатной температуре, когда все примеси термически ионизованы, ВАХ близка к линейной во всем диапазоне прикладываемых электрических полей. При гелиевой температуре, когда напряжение на образце превышает 50 В, наблюдается быстрый рост проводимости, связанный с ударной ионизацией доноров. При температуре жидкого азота часть примесей термически ионизована. При этом проводимость в слабых полях определяется равновесной концентрацией свободных электронов. Увеличение напряжения на образце также приводит к росту проводимости, обусловленному ударной ионизацией оставшейся части нейтральных примесей электрическим полем. Из сравнения кривых для 300 К и 77 К можно заключить, что при
