Миграция электронных возбуждений и формирование спектров люминесценции в пространственно-неоднородных полупроводниковых структурах a3b5

Для моделирования указанных выше процессов в достаточно совершенных структурах (типа-В) с квантовыми ямами InGaN/GaN использовались структуры высокого качества GaAs/AlGaAs, состоящие из набора туннельно не связанных квантовых ям GaAs шириной (20, 10, 7.5, 5 нм) и барьеров AlGaAs шириной 20 нм. Структуры GaAs/AlGaAs легировались Eu при технологических условиях аналогичных использовавшихся для структур InGaN/GaN.

Из сравнения вида спектров видно, что в результате легирования РЗИ структур GaAs/AlGaAs, как и в случае структур InGaN/GaN типа-В, присутствует сдвиг линии ФЛ при сохранении формы и величины FWHM. Сдвиг линии ФЛ как GaAs/AlGaAs, так и в InGaN/GaN происходит вследствие возникновения деформации решетки в результате легирования РЗИ. Разная величина сдвига (в структурах InGaN/GaN она значительно больше) объясняется как различными параметрами кристаллической решетки, так и действием электрического поля, возникающего вследствие присущего III-нитридам пьезоэффекта. Важным отличием является то, что в структурах GaAs/AlGaAs, легированных Eu интенсивность линии ФЛ по сравнению с InGaN/GaN изменяется незначительно. Действительно, в структурах InGaN/GaN<Eu> максимальное изменение интенсивности оценивается в 5 раз, а в структурах GaAs/AlGaAs<Eu> только в 1.3 раза. Такое большое различие в изменении интенсивности означает, что во втором случае (GaAs/AlGaAs<Eu>) вероятность уменьшения заселенности излучающих состояний в результате переноса из них носителей в другие состояния A_f существенно меньше. Причиной такого уменьшения вероятности переноса, возможно, является уменьшение плотности конечных состояний A_f. Применительно к состояниям A_f необходимо заметить следующее: в случае структур InGaN/GaN<Eu> к ним следует отнести состояния Eu (⁵D₂, ⁵D₁), поскольку интегральная интенсивность внутриямной линии ФЛ зависит от величины (E_QW - E_Eu); в случае GaAs/AlGaAs<Eu> энергетическое положение уровней пространственного квантования (1.5 ч 1.7 eV) находится далеко от уровней Eu и именно поэтому мала вероятность переноса носителей в эти состояния. Таким образом, из сравнения эволюции спектров структур с квантовыми ямами можно придти к следующим выводам: в достаточно совершенных структурах внедрение РЗИ приводит к появлению деформаций решетки (как правило, сжатия); в процессе миграции возбуждения происходит перенос неравновесных носителей на атомные уровни РЗИ.

1. На основании анализа эволюции время-разрешенных спектров ФЛ и ЕЛ, впервые удалось экспериментально наблюдать коррелированное поведение встроенных электрических полей и долгоживущих локализованных состояний, а также их влияние на формирование излучения в квантовых ямах на основе 3-нитридов. Показано, что исследование время-разрешенных спектров фотолюминесценции позволяет классифицировать светодиодные структуры для их использования в коммерческих целях.

2. Форма линии PL квантовых ям в различных образцах обусловлена особенностями пространственно-энергетического распределения излучающих локализованных состояний разных типов и процессами миграции возбуждения, влияющими на заселение (высвобождение) локализованных излучающих состояний свободными носителями в каждом конкретном образце.

3. Исследованы процессы обмена возбуждением между различными неоднородностями путем исследования анизотропии (поляризации) излучения в структурах с различными величинами интенсивности излучения. На основании исследования поляризации линии излучения MQW в структурах, имеющих различные величины R₀=N_kl/см^-2 и E/k_BT, можно сделать вывод, что разное значение P_lin ~ W_ex свидетельствует о том, что миграция энергии обусловлена процессами с переносом заряда.

Положения, выносимые на защиту, отражают корреляцию между свойствами пространственно-неоднородной среды, транспортом электронного возбуждения и особенностями формирования спектров люминесценции. Представленные ниже результаты имеют значительную физическую общность и поэтому соответствуют физическим явлениям в структурах различных полупроводниковых материалов.

1. Параметры спектра излучения в экситонной области - спектральное положение, полуширина (FWHM) линий излучения D⁰,x и D⁰,h и соотношение интенсивностей этих линий в эпитаксиальных слоях n-GaAs определяются процессами обмена электронными возбуждениями между зонными и метастабильными состояниями, которые являются энергетически резонансными разрешенной зоне.

2. В связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs вследствие упорядоченного пространственно-энергетического распределения носителей возникает конденсированное состояние пространственно-непрямых экситонов, которое выражается в резком сужении линии люминесценции.

3. Конденсированное состояние экситонов имеет выраженную энергетическую диаграмму и приводит к появлению диаграммы направленности и линейной поляризации линии люминесценции - возникновению коггеретного спонтанного излучения (сверхизлучения).

4. Параметры спектра (интенсивность, форма и полуширина линии) фото- и электролюминесценции в квантовых ямах (MQW) InGaN/GaN и особенности их формирования определяются обменом электронными возбуждениями, в присутствии встроенных электрических полей, между локализованными состояниями, обладающими разным временем жизни носителей.

5. Миграция электронных возбуждений по состояниям, локализованным в латеральной плоскости квантовых ям, проявляется в наличии линейной поляризации (P_lin) (анизотропии) линии излучения и зависимости величины P_lin от мощности возбуждения (W_ex).

6. Формирование спектра фото- и электролюминесценции в квантовых ямах (MQW) InGaN/GaN, легированных редкоземельными ионами (РЗИ), определяются обменом электронными возбуждениями между зонными состояниями квантовых ям и атомными состояниями РЗИ, при этом влияние процессов обмена на параметры спектра излучения зависит от зарядового состояния РЗИ.

7. В кристаллах GaN, легированных редкоземельными металлами (Eu и Er), особенности люминесценции зависят от типа проводимости материала. В материале с p-типом проводимости реализуется сенсибилизация близ краевого излучения вследствие обмена носителями между состояниями изовалентных центров и состояниями мелких примесей. В материале с n-типом проводимости легирование редкоземельными ионами приводит к трансформации радиуса локализации носителей на дефектах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих статьях:

1. Yu.V. Zhilyaev, V.V. Krivolapchuk, A.V. Rodionov, V.V. Rossin, T.V. Rossina, Yu.N. Sveshnikov, Investigation of a Transition Layer in Epitaxial GaAs by the Low Temperature Photoluminescence Technique, Phys.Stat.Sol.(a), v.89, K61, (1985)

2. А.В. Акимов, А.А. Каплянский, В.В. Криволапчук, Е.С. Москаленко, Проявление метастабильных локализованных состояний дырок в медленной кинетике краевой люминесценции n-GaAs, Письма в ЖЭТФ, т.46, вып.1, с.35, (1987)

3. А.В. Акимов, Ю.В. Жиляев, В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев, В.Г. Шофман, Экспериментальное наблюдение дырок в n-GaAs, высвободившихся в результате Оже-распада локализованных состояний, ФТП, т.25, вып.4, с.713, (1991)

4. А.В. Акимов, В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев В.Г. Шофман, Люминесцентное исследование долговременной кинетики носителей в эпитаксиальном арсениде галлия, ФТП, т.27, вып.2, с. 310, (1993)

5. В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев, Л.М. Федоров, Влияние метастабильных состояний на формирование стационарных спектров фотолюминесценции n-GaAs, ФТП, т.28, вып.2, с.310, (1994)

6. В.В. Криволапчук, Д.А. Мазуренко, Е.С. Москаленко, Н.К. Полетаев, А.Л. Жмодиков, Т.С. Ченг, С.Т. Фоксон, Аномальное воздействие магнитного поля на непрямой экситон в двойных квантовых ямах GaAs/AlGaAs, ФТТ, т.40, вып.5, с.803, (1998)

7. В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев, Влияние метастабильных состояний на высвечивание экситонов в n-GaAs, ФТП, т.32, вып.3, с.307, (1998)

8. Ю.В. Жиляев, В.В. Криволапчук, И.Н. Сафронов, Исследование поляризованной фотолюминесценции толстых эпитаксиальных слоев GaN, ФТП, т.33, вып.7, с.778, (1999)

9. В.В. Криволапчук, Е.С. Москаленко, А.Л. Жмодиков, Т.С. Ченг, С.Т. Фоксон, Проявление коллективных свойств пространственно-непрямых экситонов в двойных квантовых ямах GaAs/AlGaAs, ФТТ, т.41, вып.2, с.325, (1999)

10. V.V. Krivolapchuk, E.S. Moskalenko, A.L. Zhmodikov, T.S. Cheng, C.T. Foxon, Collective properties of spatially indirect excitons in asymmetric GaAs/AlGaAs double quantum wells, Solid St.Commun., v.111, р.49, (1999)

11. V.V. Krivolapchuk, E.S. Moskalenko, A.L. Zhmodikov, A giant shot of radiation intensity as eventual evidence of Bose-Einstein condensation of excitons in double quantum wells in GaAs/AlGaAs, Nanotechnology, v.11, р.246, (2000)

12. V.V. Krivolapchuk, E.S. Moskalenko, A.L. Zhmodikov, Specific features of the indirect exciton luminescence line in GaAs/AlGaAs, Phys.Rev.B, v.64, p.045313, (2001)

13. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, С.Д. Раевский, А.П. Скворцов, Ш.А. Юсупова, Спектры поглощения кристаллов нитрида галлия, легированных Er3+, Письма в ЖТФ, т.28, вып.7, с.66, (2002)

14. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, Н.К. Полетаев, Влияние корреляции между подсистемами мелких и глубоких метастабильных уровней на экситонные спектры фотолюминесценции в n- типе GaAs, ФТТ, т.45, вып.1, с.29, (2003)

15. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, Н.К. Полетаев, Заселение метастабильных состояний в n-GaAs, ФТТ, т.45, вып.5, с.785, (2003)

16. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, А.В. Насонов, С.Н. Родин, Фотолюминесценция объемных кристаллов GaN, легированных Eu, ФТТ, т.45, вып.9, с.1556, (2003)

17. В.В. Криволапчук, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, А.В. Насонов, С.Н. Родин, Н.М. Шмидт, Спектры краевой фотолюминесценции и интенсивность линий внутрицентровых f-f переходов в кристаллах GaN, легированных Er, Sm, ФТТ, т.46, вып.5, с.814, (2004)

18. В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, С.Н. Родин, Ш.А. Юсупова, Примесные центры редкоземельных ионов (Eu, Sm, Er) в вюрцитных кристаллах GaN, ФТП, т.38, вып.10, с.1314, (2004)

19. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, Послесвечение вюрцитных кристаллов GaN, легированных редкоземельными металлами, ФТТ, т.46, вып.12, с.2014, (2004)

20. В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, М.М. Мездрогина, В.В. Лундин, С.Н. Родин, Параметры вюрцитных кристаллов GaN, легированных Tm, ФТТ, т.47, вып.7, 1203, (2005)

21. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, В.В. Лундин, Роль встроенных электрических полей в формировании излучения квантовых ям InGaN/GaN, ФТТ, т.47, вып.7, 1338, (2005)

22. В.В. Криволапчук, А.Л. Жмодиков, Е.С. Москаленко, Излучение конденсата экситонов в двойных квантовых ямах, ФТТ, т.48, вып.1, 139, (2006)

23. М.М. Мездрогина, В.В. Криволапчук, Влияние дополнительной примеси Zn на вид спектров фотолюминесценции вюрцитных кристаллов GaN, легированного редкоземельным ионом Eu, ФТТ, т.48, вып.7, 1182, (2006)

24. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, Влияние миграции энергии на форму линии излучения в структурах с квантовыми ямами на основе InGaN/GaN, ФТТ, т.48, вып.11, (2006).

25. В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, М.М. Мездрогина, С.Н. Родин, Сенсибилизация люминесценции вюрцитных кристаллов GaN, легированных Eu и дополнительно введенной примесью Zn, ФТП, т.40, вып.9, 1033, (2006)

26. Мездрогина, В.В. Криволапчук, В.Н. Петров, С.Н. Родин, А.В. Черенков, Влияние дополнительно введенных примесей Zn и Eu на вид спектров фотолюминесценции кристаллов GaN, легированных Er, ФТП, т.40, вып.12, (2006)

27. В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, Р.В. Кузьмин, Э.Ю. Даниловский, Влияние легирования Eu, на сенсибилизацию излучения в структурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs и InGaN/GaN, ФТТ, т.51, вып.2, 2137, (2009).

Другие публикации по теме диссертации:

1. В.В. Травников, В.В. Криволапчук, Диффузия экситонов и самопоглощение резонансного излучения, ФТТ, т.24, вып.4, с.961, (1982).

2. В.В. Травников, В.В. Криволапчук, Влияние поверхности и размера образцов на кинетику и пленение поляритонов, Письма в ЖЭТФ, т.38, вып.6, с.287,(1983)

3. В.В. Травников, В.В. Криволапчук, Кинетика и люминесценция поляритонов, ЖЭТФ, т.85, вып.6, с.2087, (1983)

4. В.В. Травников, В.В. Криволапчук, Пленение поляритонов, Письма в ЖЭТФ, т.37, вып.9, с.419, (1983)

5. А.В. Акимов, В.В. Криволапчук, Н.К. Полетаев, В.Г. Шофман, Люминесцентное исследование долговременной кинетики носителей в эпитаксиальном арсениде галлия, ФТП, т.27, вып.2, с. 310, (1993)

6. А.В. Акимов, Ю.В. Жиляев, В.В. Криволапчук, В.Г. Шофман, Перезахват неосновных носителей в условиях фотоионизации в эпитаксиальном n-GaAs, ФТП, т.24, вып.1, с.82, (1990)

Размещено на Allbest.ru