Излучательная рекомбинация в монокристаллических структурах фосфида галлия, арсенида галлия и пористом кремнии при изменении интенсивности оптического и электрического возбуждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Салимзянов, Ришат Расихович

• Салимзянов, Ришат Расихович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Салимзянов, Ришат Расихович

Введение

Глава I. Излучательная рекомбинация в фосфиде галлия, арсениде галлия ив пористом кремнии.

1.1. Основные свойства фосфида галлия

1.2. Межпримесная излучательная рекомбинация.

1.3. Основные свойства арсенида галлия.

1.4. Излучательная рекомбинация в арсениде галлия.

1.5. Особенности видимой люминесценции в пористом кремнии.

Глава II. Спектры фотолюминесценции фосфида галлия

2.1. Схема экспериментальной установки. Электрофизические параметры фосфида галлия.

2.2. Спектры фотолюминесценции фосфида галлия при возбуждении непрерывным гелий-кадмиевым лазером.

2.3. Анализ эффективности захвата носителей заряда на донорно-акцепторные пары в зависимости от размера пары.

2.4 Спектры фотолюминесценции фосфида галлия при возбуждении импульсным азотным лазером

Глава III. Спектры электролюминесценции светодиодов на основе фосфида галлия

3.1. Нелинейная вольтамперная характеристика при низких температурах

3.2. Спектры электролюминесценции при постоянном токе через светодиод в интервале температур 77-300 К.

3.3. Трансформация спектров электролюминесценции при изменении тока через светодиод.

Глава IV. Люминесценция арсенида галлия при оптическом возбуждении.

4.1. Фотолюминесценция арсенида галлия при Г=78К

4.2. Фотолюминесценция арсенида галлия при гелиевых температурах

Глава V. Люминесценция пористого кремния.

5.1 Спектральные и температурные зависимости видимой люминесценции пористого кремния

5.2 Электролюминесценция металлизированного пористого кремния

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Излучательная рекомбинация в монокристаллических структурах фосфида галлия, арсенида галлия и пористом кремнии при изменении интенсивности оптического и электрического возбуждения»

Актуальность работы. Исследования излучательной рекомбинации в фосфиде галлия (ОаР) и арсениде галлия ((ЗаАз) начались практически одновременно [1,2]. Опубликовано огромное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных этой тематике.

Достигнуты большие успехи в получении чистых образцов ОаР и

ОаАз.

Однако исследования этих материалов и создание приборов на их основе продолжаются.

Существуют важные научные и научно-технические проблемы, которые до сих пор не имеют однозначной или окончательной экспериментальной или теоретической интерпретации.

Важным элементом этих исследований является выяснение влияния интенсивности возбуждения на спектры излучательной рекомбинации. Это влияние может проявляться в том, что при разных концентрациях носителей их влияние на характер излучательных переходов может быть разным, в частности, из-за кулоновского взаимодействия.

Например, в ОаР это может проявляться в изменении кулоновского взаимодействия между электронами и дырками на донорно-акцепторных парах в зависимости от их заполнения электронами и дырками.

В ОоАб влияние интенсивности возбуждения может проявляться в эффекте плазменного экранирования слабосвязанных экситонов с донорами или акцепторами, что значительно изменяет структуру спектра, как при возбуждении системы электрическим током, так и при фотовозбуждении, что и обсуждается в данной работе.

Выявление такого влияния может оказаться ценным не только с научной точки зрения, но и быть полезным в прикладном плане, позволяя получить дополнительную информацию об участии различных примесных центров в излучателыюй рекомбинации ОаР и ОаАя и приборов на их основе.

Несколько в стороне в этом отношении стоит пористый кремний. Исследования излучательной рекомбинации начались интенсивно с работы [3]. Однако этот материал представляется весьма перспективным в плане создания эффективных излучательных систем на основе хорошо отработанной кремниевой технологии. Предполагаемый квантовый размерный эффект [4], который, как считают многие специалисты, лежит в основе увеличения ширины запрещенной зоны и позволяет получить излучения в видимой области, может привести к прорыву в области оптоэлектроники и микроэлектроники.

Изучение зависимости интенсивности излучения пористого кремния от температуры предпринято в целях выяснения, что лежит в основе увеличения ширины запрещенной зоны - квантовый размерный эффект или образование на поверхности монокристаллического кремния комплексов кремния, содержащих Н2, О2 и другие компоненты.

Целью данной работы является выяснение влияния различных видов оптического и электрического возбуждения на трансформацию спектров излучательной рекомбинации.

Получены следующие новые результаты, выносимые на защиту.

1. Обнаружено, что при увеличении интенсивности оптического возбуждения структура спектров межпримесной фотолюминесценции ОаР трансформируется таким образом, что относительная интенсивность излучения смещается в коротковолновую область. Это означает, что увеличивается вклад в излучение донорно-акцепторных пар с меньшим размером.

2. Предложена модель электронных переходов, позволяющая учесть зависимость эффективности перезарядки ионизованных пар свободными носителями от размера пары г.

3. Обнаружено изменение типов излучательной рекомбинации светодиодов на основе ОаР при нормальных токах при изменении температуры от комнатной до азотной. Излучательная рекомбинация при комнатных температурах, обусловленная аннигиляцией свободных или связанных с примесями экситонов, переходит в межпримесную излучательную рекомбинацию электронов и дырок, захваченных на мелкие доноры и акцепторы при азотных температурах.

4. Обнаружено, что в светодиодах на основе ОаР при токах, больших критических , т.е. в той области, где на вольтамперной характеристике наблюдается отрицательное сопротивление, при изменении температуры возникает двухполосная структура. Отношение интенсивностей коротковолнового и длинноволнового пиков при этом увеличивается при увеличении тока.

5. Обнаружено исчезновение полос излучения в ОоАб, связанных с аннигиляцией связанных экситонов, при увеличении интенсивности и вида оптического возбуждения при гелиевых температурах

6. Обнаружены особенности зависимости интенсивности излучения пористого кремния от температуры.

Практическая ценность заключается в выяснении условий, при которых в нелегированных и легированных полупроводниках возникает изменение спектров фото- и электролюминесценции и понимании причин, вызывающих эти изменения.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе представлен обзор основных механизмов излучательной межпримесной донорно-акцепторной и экситонной рекомбинации. Особое внимание уделено мелким примесным центрам, когда энергии ионизации доноров и акцепторов невелики. В этом случае примесные центры можно рассматривать как водородоподобные и описывать их с помощью метода эффективной массы. Приведены основные выводы теории плазменного экранирования и оценки величины концентрации носителей, когда проявляется эффект плазменного экранирования. В третьем разделе приведены сведения об основных свойствах пористого кремния.

Во второй главе описаны экспериментальные исследования фотолюминесценции образцов ОаР. В первом разделе сообщается о трансформации спектров фотолюминесценции при возбуждении непрерывным маломощным гелий-кадмиевым лазером. При увеличении оптического возбуждения вклад коротковолновой полосы в спектре увеличивается. Для объяснения этого эффекта во втором разделе предложена теоретическая модель, выводы из которой гласят, что эффективность захвата свободных носителей больше для донорно-акцепторных пар с большим размером пары, что согласуется с экспериментальными данными. В третьем разделе обсуждаются спектры фотолюминесценции ОаР при возбуждении импульсным мощным азотным лазером. Обнаружен эффект увеличения вклада коротковолновых полос, вызванных экситонной рекомбинацией, при увеличении оптической накачки. При уменьшении возбуждения спектр фотолюминесценции становится похожим на спектр, полученный при возбуждении гелий-кадмиевым лазером.

В третьей главе приведены сведения о трансформации спектров электролюминесценции светодиодов на основе ОаР (2п-0) при уменьшении температуры от 300К до 78К и токе 10 тА, вызванной изменением вкладов различных видов излучательной рекомбинации с преобладанием экситонной при Г=300К и донорно-акцепторной при Г=78К. Также были проведены измерения спектров при Т=78К, 90К в диапазоне токов 5-35шА. При увеличении тока более 10 тА, когда на вольтамперной характеристике наблюдается область отрицательного сопротивления, полоса с максимумом /гт^2.19эВ постепенно исчезала и вместо нее возникали две новые полосы А>«2.24эВиАу=2.29эВ.

В четвертой главе изложены результаты исследований излучательной рекомбинации эпитаксиальных пленок СаАя при различных температурах и разных интенсивностях оптического возбуждения с помощью гелий-неонового и азотного лазеров. Установлено, что при температуре жидкого азота спектры фотолюминесценции наблюдаются при возбуждении образцов только азотным лазером. При гелиевых температурах в спектрах обнаружены резкие линии, обусловленные аннигиляцией связанных экситонов, при возбуждении гелий-неоновым лазером. При накачке азотным, более мощным лазером резкие линии исчезают и спектры уширяются в несколько раз. Это связано с тем, что проявляется эффект плазменного экранирования, при котором экситоны не образуются, т.к. дебаевский радиус свободных носителей становится меньше боровского радиуса экситонов.

В пятой главе приводятся спектры фотолюминесценции и электролюминесценции пористого кремния. Положение максимума спектра фотолюминесценции при уменьшении температуры от комнатной до азотной смещается в коротковолновую область, а его интенсивность возрастает. Металлизация поверхности пористого кремния позволила обнаружить электролюминесценцию, которая в чистом пористом кремнии не наблюдалась.

Основные результаты работы докладывались на II Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права", Москва, 1999; на 55-ой Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2000; на научных семинарах ИРЭ РАН и МГАПИ.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ [40, 41, 45, 54, 57, 60,73].

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Салимзянов, Ришат Расихович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ниже перечислены основные результаты, полученные в работе:

1. Создана аппаратура для исследования излучательной рекомбинации в широком диапазоне температур от ЗООК до 77К и от 4.2К до 20К в области длин волн излучения от О.Змкм до 1 мкм.

2. Экспериментально установлено, что интенсивность излучательной рекомбинации в СаР зависит от энергии излучаемых фотонов. Интенсивность межпримесного излучения меняется с изменением интенсивности возбуждения. При этом интенсивность излучения уменьшается сильнее для донорно-акцепторных пар с меньшим размером пар г.

3. Обнаружено, что при оптической накачке мощным лазером в спектре излучения СаР, кроме межпримесной излучательной рекомбинации, наблюдается более коротковолновое "краевое" излучение, механизм которого отличается от механизма межпримесной рекомбинации.

4. Предложена и рассчитана теоретическая модель излучательной рекомбинации, учитывающая зависимость эффективности захвата свободных носителей от размера пары г. При увеличении г эффективность захвата возрастает.

5. Обнаружена трансформация спектров электролюминесценции светодиодов на основе СаР при: 1) изменении температуры и токах 510 тА с энергетическим сдвигом максимума зеленой полосы;

2) изменении тока в области отрицательного сопротивления со сдвигом в область коротких длин волн при возрастании тока от ЮтА до 40тА. Предложено объяснение этой трансформации.

6. Показано, что при оптическом возбуждении ОаАя, охлажденного до гелиевых температур, когда концентрация свободных носителей

I/ -> становится больше ~2* 10 см" , создаются условия, при которых

76 экситоны, связанные с нейтральными или ионизованными донорами, не образуются из-за эффекта плазменного экранирования.

7. Экспериментально показано, что уменьшение интенсивности люминесценции пористого кремния при увеличении температуры от 77К до ЗООК имеет, в основном, линейный характер.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность своим научным руководителям профессору Беланову A.C. за общее руководство в работе и при подготовке диссертации и доценту Гайворону В.Г. за постоянное внимание и опеку, д.ф.-м.н. Бару В.Г., д.ф.-м.н. Огрину Ю.Ф., к.ф.-м.н. Биленко Д.И. за теоретические консультации и обсуждение результатов, а также Колмаковой Т.П. и Телегину A.A. за предоставление образцов фосфида галлия и арсенида галлия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Салимзянов, Ришат Расихович, 2000 год

1. Wolff P.A., Hebert R. А., Broder J.D. Phys. Rev., 100, 1144 (1955).

2. Bratfnstein R. Phys. Rev., 99, 1892 (1955).

3. Canham L T. Appl. Phys. Lett., 57,1046 (1990).

4. Огрин Ю.Ф., Луцкий B.H, Елинсон М.И. // Письма в ЖЭТФ. 1966.Т.З. В.З. С.С. 114-118.

5. Lorenz M.R., Pettit G.D., Tayler R.C. Phys. Rev., 171, 876 (1968).

6. Gray A.M. Phys. Status Solidi, 37, 11 (1970).

7. Пихтин A.H., Яськов Д.А. // ФТТ. 1969. Т.П. №.8. с.2213.

8. Patrick L. Phys. Rev. Lett., 18, 45 (1967).

9. Prener J.S., Williams F.E. J. Chem. Phys. Solids, 25,361 (1956).

10. Thorfias D.C., Hopfield J J., Colbow K. Recombination Radiation in Semiconductors, Paris, Dunod, p. 6.7 (1965).

11. Thomas D.G., Gershenzon M., Trumbore F.A., Phys. Rev., A113, 269 (1964).

12. Thomas D.G., Hopfield J.J., Augustyniak W.W. Phys. Rev., 140, 202 (1965).

13. Гайворон В.Г., Сидоров В Л // ФТП. 1970. Т.4. с.702.

14. Morgan T.N. Phys. Rev. Lett., 21, N12, (1968).

15. Morgan T.N., Plaskett T.S., Pettit G.D. Phys. Rev., 180, N3, 845 (1969).

16. Williams F. Phys. Stat. Sol., 25, N2, 493 (1968).

17. Nelson D., Rodgers K.F. Phys. Rev., 140, 1667 (1965).

18. Maeda K. J. Phys. Chem. Sol., 26, 595 (1965).

19. Shaffer J., Williams F. Proc. 7-th Int. Conf. Phys. Semicond., 811. Dunod,, Paris, 1964.

20. Hopfield J.J. Proc. 7-th Int. Conf. Phys. Semicond., 725. Dunod, Paris, 1964.

21. Lorens M.R., Morgan T.N., Pettit G.D. Proc. 9-th Int. Conf. Phys. Semicond., 495. Leningrad, 1969.

22. Welker H. Physica, 20, 893 (1954).

23. Hicks H.G.B., Manley D.F. Solid State Commun., 7, 1463 (1969).

24. Southgate P.D. J. Appl. Phys., 40, 5333 (1969).

25. Маделунг О. // Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. "Мир", Москва, 1967.

26. Nathan M.I., Burns A.G. Phys. Rev., 129, 125 (1963).

27. Cassella R.G. J. Appl. Phys., 34, 1703 (1963).

28. Summers C.J., Dingle R., Hill D.E. Phys. Rev., Bl, 1603 (1970).

29. Gilleo M.A., Bailey P.T., Hill D.E. Phys. Rev., 174, 898 (1968).

30. Bogardus E.H., Babb H.B. Phys. Rev., 176,993 (1968).

31. Shah J., Leite R.C.C., Nahory R.E. Phys. Rev., 184, 811 (1969).

32. Prokes S.M. J. Appl. Phys., 7, N1 (1993).

33. Бреслер M.C., Яссиевич // ФТП. 1993. T 27. с.871.

34. Гайворон В.Г., Огрин Ю.Ф., Колмакова Т.П., Сидоров В.И. // Письма в

35. ЖТФ. 1994. Т.20. В.8. с.70-73.

36. Копаев Ю.В., Молохов С.Н., Назин С.С. // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.65.1. В. 12. с.696-700.

37. Кашкарев П.К., Константинова Е.А., Петрова С.А., Тимошенко В.Ю.,

38. Юнович А.Э.//ФТП. 1997. Т.31. №6. с.745-748.

39. Papaconstantopouls D.A. et al. Phys. Rev. B24, 463 (1985).

40. Bomchil G. et al. Proc. Eur. MRS Meeting. 4, 403 (1985).

41. Dean P.G., Faulkner R.A. Appl. Phys. Lett. 14, N7,210 (1969).

42. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Вопросы прикладной физики. Саратов.1998, Вып.4.

43. Беланов А.С., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Вопросы прикладной физики. Саратов. 1999, Вып. 5.

44. Wight D.R. J. Phys. (Proc. Phys. Soc.), CI, N6, 1759 (1968).

45. Субашиев B.K., Чаликян Г.A. // Труды IV Межд. конф. по физ. полупр., Москва, 1968, т.1, стр. 397.

46. Thompson A.G., Cardona М., Shaklee K.L., Wooley J.C. Phys. Rev., 146, 601 (1966).

47. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №2. Москва. 2000.

48. Wiley J.D. J. Phys. Chem. Solids, 32, 2053 (1971).

49. Saul R.H. J. Appl. Phys., 40,4979 (1969).

50. Берг А., Дин П. // Светодиоды. "Мир", Москва, 1973.

51. Elliot R.J. Phys. Rev., 108, 1384 (1957).

52. Knox R.S. Theory of excitons, Solid St. Phys. Suppl., 5 (1963).

53. Dimmock J.C. Semicond. Semimetals, 3, 259 (1967).

54. Зинец O.C., Сучаков В .И. //ФТТ. 1969. Т. 11. №1. с. 243.

55. Sharma R.R., Rodriguez S.S. Phys. Rev., 153, N3, 823 (1967).

56. Беланов A.C., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Труды II Международной научно-практической конференции. Москва. 1999. с.48.

57. Toshihary К., Susumu К. Appl. Phys. Lett., 43, N5, 490 (1983).

58. Ashley K.L., Milnes A.G. J.Appl. Phys. 35, 360 (1964).

59. Беланов A.C., Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Труды 55-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва. 2000. с. 170.

60. Cuthbert J.D., Henry С.Н, Dean P.J. Phys. Rev. 170, 739 (1968).

61. MaedaK.Jpn. J.Appl. Phys., 9, N1,71 (1970).

62. Гайворон В.Г., Салимзянов P.P. // Сборник трудов студенческого научного общества МГАПИ №1. Москва. 1999. С. 53.

63. Gershenzon М. Luminescence of inorganic solids, Ed. P. Goldberg, New York, Academic Press, 603 (1966).

64. Sarace J. et al. Phys. Rev., 137, A626 (1965).

65. Wilson D. Appl. Phys. Lett., 3,127 (1963).

66. Kiinzel I., Ploog K. Appl. Phys. Lett., 37,416 (1980).

67. Roth A.P., Goodchild R.G., Charbonneau S., Williams D F. J. Appl. Phys., 54, 3427 (1983).

68. Roth A.P. Charbonneau S., Goodchild R.G. J.Appl. Phys., 54, N9, 5350 (1983).

69. Gobi E., Herzog H, Pilkuhn M.H., Zschauer K.H. Solid Stat. Comm., 13, 719 (1973).

70. Johnson W.D. Phys. Rev, B6, 1455 (1972).

71. Stradling R.A, Eaves L, Hoult R.A, Miura N. Gallium arsenide and relatedcompounds, Institute of Bristol. 65 (1973).

72. Wolfe C.M, Korn D.M., Stillman G.E. Appl. Phys. Lett, 24, 78 (1974).

73. Rossi J.A, Keune D.K, Holonyak N, Dapkus P.D., Burnham R.D. J. Appl. Phys, 41, 312 (1970).

74. Wolff P.A. Phys. Rev, 126, 405 (1962).

75. Гайворон В.Г, Салимзянов P.P. // Сборник трудов студенческого научного общества МГАНИ №1. Москва. 1999. С. 56.

76. Колмакова Т.П., Бару В.Г, Малахов Б.А, Ормонт А.Б. Терешин С.А. // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т.57. В.7. с.398.

77. Капитонова JI.M, Лебедев A.A., Ременюк А.Д. Рудь Ю.В. // Письма в1. ЖТФ. 1993.Т.19.В.13.С.31.

78. Гурвич A.M. // Введение в физическую химию кристаллофоров. "Высшая школа", Москва, 1977.

79. Brandt M.S., Fuchs H.D, Stutsmann M, Weber J, Cardone M. Sol. Stat. Comm., 81, N4, 307 (1992).

80. Ruhter et al. IEEE Electron. Device Lett, 12, 691 (1991).

81. Futagi T. et al. J. Appl. Phys, 31, 616 (1992).

82. Steiner P. et al. Jpn. J. Appl. Phys, 33, 1990 (1994).