Трансформація рекомбінаційних механізмів, підвищення квантового виходу та генерація випромінювання в CdxHg1-xTe і InSb під впливом одновісного напруження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

(01.04.07 - фізика твердого тіла)

Трансформація рекомбінаційних механізмів, підвищення квантового виходу та генерація випромінювання в CdxHg1xTe і InSb під впливом одновісного напруження

Старий Сергій Васильович

Київ 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників

Національної Академії наук України, м.Київ.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Шепельський Георгій Анатолійович,Інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Берченко Микола Миколайович, Національний технічний Університет “Львівська політехніка”, професор.

кандидат фізико-математичних наук Федоренко Леонід Леонідович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, старший науковий співробітник

Провідна установа: Національний Університет ім.Т.Шевченка, фізичний факультет, кафедра оптики, м.Київ

Захист відбудеться 15 березня 2002 р. о 1630 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: 03028, Київ - 28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ - 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий 12.02. лютого 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

1. Загальна характеристика роботи

деформація фотоелектричний напівпровідник іонізація

Актуальність теми. Вузькозонні напівпровідники (ВН), насамперед CdxHg1xTe, а також InSb відносяться до основних матеріалів напівпровідникової оптоелектроніки в середньому інфрачервоному (ІЧ) діапазоні випромінювання. В першу чергу, це пов'язано з широким використанням їх як матеріалу для виготовлення приймачів випромінювання, що працюють в режимі власної фотопровідності (ФП), фото е.р.с. або фотомагнітного ефекту (ФМЕ). В основі роботи цих приладів лежать процеси, які характеризуються відхиленням від рівноваги концентрації або середньої енергії носіїв струму. Серед цих процесів важливе місце займають процеси рекомбінації нерівноважних носіїв заряду (ННЗ), вивчення яких необхідне для вдосконалення вже існуючих і створення принципово нових фотоелектричних приладів.

На відміну від звичайних напівпровідників, де нерівноважні явища, головним чином, залежать від станів енергетичних домішок і дефектів у забороненій зоні, в ВН ці процеси в актуальному температурному діапазоні визначаються параметрами власної зонної структури. Так, мала ширина забороненої зони і велике відношення ефективних мас дірок і електронів обумовлюють конкуренцію у ВН декількох механізмів рекомбінації, серед яких, на відміну від широкозонних напівпровідників, важливе місце займають саме міжзонні механізми: випромінювальна і ударна (або Оже-) рекомбінації. В той же час, саме завдяки вказаним вище особливостям, енергетичний спектр ВН є надзвичайно чутливим до зовнішніх впливів: електричного і магнітного полів, одновісної деформації та ін. Тому виявляється цікавим питання про можливість керованої трансформації енергетичного спектру напівпровідника за допомогою певного зовнішнього направленого впливу з тим, щоб змінити важливі з практичної точки зору параметри ННЗ, в тому числі і характер рекомбінаційних процесів, що дасть, в свою чергу, змогу створити оптоелектричні прилади з певними заданими властивостями і характеристиками. Так, наприклад, у ВН перевага в області власної провідності Оже-рекомбінації заважає розробці на їхній основі ефективних емітерів випромінювання: світлодіодів, напівпровідникових лазерів. Тому зменшення під дією зовнішнього впливу темпу міжзонної безвипромінювальної рекомбінації дало б можливість підвищити граничні параметри джерел випромінювання в близькій і середній ІЧ області. В той же час пригнічення Оже-рекомбінації повинне підвищити фоточутливість матеріалу в актуальному температурному діапазоні.

Слід відзначити, що, незважаючи на багато робіт, присвячених дослідженням сполуки CdxHg1xTe, деякі важливі питання на сьогоднішній день залишаються невирішеними. Це стосується, насамперед, CdxHg1xTe р-типу, зокрема його фотоелектричних властивостей. Так, на відміну від матеріалу n-типу (див., наприклад, огляд [1]), в р-CdxHg1xTe залишаються до кінця не з'ясованими домінуючі рекомбінаційні механізми в області низьких температур 4.277 К. А саме р-CdxHg1xTe є важливим матеріалом, що використовується для створення інфрачервоних фотодіодів.

На протязі 80-х і 90-х років велась інтенсивна розробка джерел когерентного випромінювання в далекому ІЧ (301000 мкм) діапазоні на основі p-Ge в схрещених електричному і магнітному полях [2], а також під дією одновісної деформації (ОД) [3]. Але і на сьогоднішній день проблема створення зручного і потужного джерела лазерного випромінювання в цій області спектру залишається актуальною. Виникає питання про можливість застосування інших напівпровідникових матеріалів в ролі випромінювачів світла в далекій ІЧ області спектру. Досить цікавим, з цієї точки зору, є безщілинний стан напівпровідника CdxHg1xTe, який виникає при значеннях складу х < 0.16 даної сполуки. При дії зовнішнього направленого впливу безщілинний напівпровідник (БН) переходить у ВН із забороненою зоною, ширину якої можна плавно змінювати, тим самим змінюючи довжину хвилі випромінювача на основі БН.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційні дослідження виконувались в рамках наступних бюджетних тем:

"Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових систем інфрачервоної мікрофотоелектроніки.", 2000-2002 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України №12 від 16.11.1999 р., номер держреєстрації 0100U000118).

"Оптика і спектроскопія нових матеріалів і структур, в тому числі квантово-розмірних систем на основі атомарних напівпровідників та сполук А2В6, А4В6, А3В5.", 1995-1999 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України №9 від 20.12.1994 р., номер держреєстрації 0195U024514).

"Розробка фізико-хімічних основ технологій створення та функціональна діагностика кристалів і структур (приладів) для реєстрації та перетворення енергії ІЧ випромінювання на базі напівпровідникових сполук і вузькощілинних твердих розчинів.", 1995-1999 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України №9 від 20.12.1994 р., номер держреєстрації 0195U010992).

"Експериментальні та теоретичні дослідження інверсного перерозподілу носіїв заряду в тримірних та двомірних структурах у далекому інфрачервоному діапазоні спектру.", 1997-2000 рр. (проект Державного фонду фундаментальних досліджень Мін. науки України за №2.4/970, Наказ Мін. науки України від 17.03.1997 р. №72).

Мета і задачі досліджень. Метою дослідження було визначення можливостей та вивчення основних закономірностей керованого впливу одновісного пружного тиску на фотоелектричні властивості та рекомбінаційні механізми у ВН CdxHg1xTe і InSb для підвищення граничних теоретичних параметрів вказаних матеріалів та ІЧ-приладів на їхній основі. Були вказані наступні задачі:

Отримати залежності спонтанного випромінювання безщілинного CdxHg1xTe при накладанні одновісної пружної деформації від величини прикладеного електричного поля і ОД.

Вивчити можливість отримання стимульованого випромінювання із безщілинного CdxHg1xTe в стиснутому ОД стані при збудженні сильним електричним полем.

Визначити вплив одновісної пружної деформації на інтенсивність випромінювальної рекомбінації у вищезгаданих ВН.

Вивчити можливість принципового підвищення квантового виходу рекомбінаційного випромінювання у ВН за рахунок трансформації енергетичного спектру ОД і пригнічення безвипромінювальної рекомбінації.

Провести дослідження фотоелектричних параметрів вузькозонного CdxHg1xTe р-типу з метою визначення домінуючих механізмів рекомбінації в низькотемпературній області (4.277 К).

Об'єктом дослідження є процес впливу одновісної пружної деформації на електрофізичні та рекомбінаційні властивості вузькозонних та безщілинних напівпровідників. Предметом дослідження є спеціально виготовлені і оброблені зразки ВН InSb і CdxHg1xTe та БН CdxHg1xTe.

Як методи дослідження в роботі використовуються фотопровідність, фотомагнітний ефект, електро- та фотолюмінесценсія із збудженням нерівноважних носіїв струму світлом, що сильно поглинається. Спонтанне і стимульоване далеке ІЧ випромінювання безщілинного CdxHg1xTe було індуковане короткими імпульсами електричного струму. При цьому паралельно з дослідженням випромінювання електролюмінесценсії на довжині хвилі ~100 мкм реєструвались вольтамперні характеристики зразків. Вказані явища вимірювались в діапазоні температур 4.2300 К.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає в наступному:

Вперше було зареєстроване спонтанне випромінювання із безщілинного CdxHg1xTe. Отримані залежності спонтанного випромінювання одновісно стиснутого БН CdxHg1xTe від величин прикладеного електричного поля і ОД.

Вперше отримане стимульоване випромінювання із безщілинного CdxHg1xTe. Інверсна заселеність виникає в пружно-деформованому стані при накладанні електричного поля. Довжина хвилі отриманого випромінювання складала приблизно 100 мкм.

Запропонована модель, що пояснює наявність інверсної заселеності та стимульованого випромінювання в одновісно деформованому БН CdxHg1xTe.

Вперше отримане принципове (багатократне) підвищення квантового виходу випромінювання у ВН InSb в пружно-деформованому стані. Отримані залежності інтенсивності рекомбінаційного випромінювання від величини одновісного напруження та рівня збудження у ВН InSb. Показано, що підвищення квантового виходу пов'язане, головним чином, з пригніченням безвипромінювальної рекомбінації в умовах ОД.

З отриманих результатів дослідження ФП і ФМЕ ВН CdxHg1xTe p-типу визначені особливості рекомбінаційних процесів в низькотемпературній області (4.277 К). Основна особливість - різке розходження в значеннях часів життя електронів та дірок.

Доведена наявність другого (додаткового) центру рекомбінації у ВН р-CdxHg1xTe що відіграє роль при Т < 2530 К, та визначене енергетичне положення центру.

Практичне значення одержаних результатів. В результаті проведених досліджень поглиблено розуміння фотоелектричних та рекомбінаційних процесів у ВН CdxHg1xTe та InSb і БН CdxHg1xTe в області низьких температур, що має значний практичний інтерес, оскільки фотодетектори ІЧ діапазону, як правило, функціонують саме в низькотемпературному режимі.

Виявленне стимульоване випромінювання в одновісно стиснутому БН CdxHg1xTe дає можливість створення на основі даного напівпровідника джерела когерентного випромінювання з керованою зміною довжини хвилі.

Виявлене принципове збільшення квантового виходу в InSb під дією ОД дає можливість суттєвого покращення характеристик випромінювання існуючих ІЧ-світлодіодів та відкриває шлях до створення нових джерел когерентного випромінювання в середній ІЧ області на основі ВН.

Особистий внесок автора в працях, опублікованих у співавторстві, включає в себе постановку під керівництвом наукового керівника конкретних завдань досліджень, безпосереднє проведення експериментів по впливу одновісної пружної деформації на фотоелектричні та рекомбінаційні властивості ВН; обробку результатів експериментів, участь в їх обговоренні та аналізі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на IV International Conf. SPIE "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" (Kyiv, 1998), на V International Conf. SPIE (Kyiv, 2000), на II Межгосударственной научно-технической конференции "Квантовая электроника" (Минск, 1998), а також на семінарах Відділення фізико-технологічних проблем напівпровідникової ІЧ-техніки ІФН НАНУ.

Публікації. Основні результати дисертації відображено у 9 наукових публікаціях, в тому числі, 3 статтях у наукових журналах, 2 доповідях, надрукованих у матеріалах конференцій, 3 публікаціях в тезах наукових конференцій та 1 патенті України на винахід.

Структура та обсяг дисертації Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку літератури. В роботі 133 сторінки друкованого тексту, 38 рисунків, 4 таблиці та список використаних літературних джерел, що містить 123 найменування.

2. Основний зміст дисертації

У вступі вказана актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі роботи, наукова новизна та апробація результатів дослідження, вказана кількість публікацій за матеріалами дисертації, структура і об'єм роботи.

В першому розділі наведений літературний огляд з актуальних для дисертаційної роботи питань фізики вузькозонних напівпровідників, зокрема впливу одновісної пружної деформації на зонний спектр, електрофізичні, фотоелектричні та рекомбінаційні властивості вузькозонних напівпровідників InSb і CdxHg1xTe та безщілинного CdxHg1xTe. Окремий підрозділ присвячений питанням отримання та дослідження стимульованого далекого ІЧ випромінювання з р-Ge в умовах одновісної деформації та схрещених електричного і магнітного полів.

В другому розділі розглянуті результати дослідження впливу одновісної пружної деформації та електричного поля на спонтанне випромінювання в БН CdxHg1xTe, а також можливість отримання стимульованого далекого ІЧ випромінювання в цьому напівпровіднику в умовах ОД. Відомо, що при накладанні ОД в БН CdxHg1xTe утворюється енергетична щілина між с- і v-зонами, що залежить від величини ОД. Також в підзоні важких дірок Г8 виникають петлі бічних екстремумів з малими ефективними масами носіїв струму в них при

к = кc

де к і к -хвильові вектори в повздовжньому і поперечному напрямках по відношенню до осі деформації. і кc - значення в боковому екстремумі.

В недеформованому стані домішкові рівні БН завжди є резонансними: акцептори розміщені в енергетичному спектрі зони провідності, донори - у валентній зоні. Останні залишаються в CdxHg1xTe іонізованими навіть при низьких температурах. З цієї причини, а також внаслідок великого відношення рухливостей електронів і вільних дірок е/h > 100, провідність зразків безщілинного p-CdxHg1xTe в даних умовах визначається не дірками, а вільними електронами з концентрацією n = (eRH)-1, де RH - коефіцієнт Хола. Досліджувані зразки р-типу безщілинного CdxHg1xTe (х = 0.100.14) з NaNd = 6101521016 см-3 при 4.2 К (де Na і Nd - концентрації акцепторів і донорів відповідно) мали електронну концентрацію n = (23)1015 см3, а рухливість електронів складала n = (57)105 см2/Вс. При накладанні ОД резонансний акцепторний рівень розщеплюється на два, які, слідуючи за вершиною валентної зони, потрапляють в утворену деформацією енергетичну щілину. З ростом пружної деформації в с-зоні відбувається експоненційний спад концентрації електронів, який виникає після перетину рівнем Фермі дна с-зони. При цьому вільні електрони зони провідності починають переходити на акцепторний рівень, що став локальним. Цей факт і призводить до різкого зростання із збільшенням величини ОД питомого опору БН та зміни типу провідності з електронного на дірковий. Отже, починаючи з певних значень ОД, безщілинний напівпровідник стає вузькощілинним із специфічними фізичними властивостями.

Наведені залежності інтенсивності спонтанного випромінювання I в далекій ІЧ області (довжина хвилі близько 100 мкм) і струму J через зразок від напруженості імпульсного електричного поля Е при різних значеннях пружної деформації. Спадання інтенсивності випромінювання і струму з ростом величини ОД зумовлене, насамперед, вищезгаданим зменшенням концентрації вільних носіїв в зоні провідності. З іншого боку, при розсіянні на іонізованих домішках n EF3/2, що призводить до деякого зменшення рухливості електронів і, відповідно, до збільшення питомого опору. Суперлінійну залежність від поля E при нульових та слабких значеннях пружної деформації (коли ще відсутня значна енергетична щілина) можна пояснити двома чинниками: по-перше, збільшенням концентрації вільних електронів зони провідності, оскільки ni E3/2 [4], по-друге, суперлінійність J(Е) може також бути зумовлена польовою залежністю рухливості електронів n(E) внаслідок розігріву їх електричним полем (при розсіянні на іонізованих домішках n Те3/2, де Те - ефективна електронна температура). В діапазоні великих пружних деформацій перший фактор збільшення власної концентрації стає неістотним з причини утворення деформацією великого енергетичного зазору між зонами (при Р = 2.5 кбар Еg 25 мэВ) і розташування там акцепторного рівня. Тому незначна нелінійність J(Е) тут визначається лише другим фактором - слабкою залежністю n(E).

При порогових значеннях пружної деформації Р = 2.52.7 кбар і електричного поля E = 5055 В/см в діапазоні фоточутливості приймача відбувалось різке, майже на 3 порядки, збільшення інтенсивності випромінювання. Зростання іненсивності випромінювання супроводжувалось також зростанням струму в 46 разів. Наявність вказаного порогу в значеннях Р та Е, велика інтенсивність сигналу, кореляція цих порогів в сигналах струму і випромінювання, а також визначальна роль паралельності граней (відхилення від паралельності складало 11.5') та стану поверхні кристалу для реєстрації випромінювання свідчать про його стимульований характер. Різке зростання струму, що виникало одночасно з появою стрибка випромінювання, вказує на значну роль в цьому процесі міжзонної ударної іонізації.

В розділі запропонована фізична модель, що пояснює виникнення стимульованого випромінювання в БН під впливом ОД. В режимі ударної іонізації, викликаної прикладеним зовнішнім електричним полем, в с-зоні виникає розподіл електронів з високою енергією в той час, коли дірки локалізуються біля бічного екстремума v-зони. Внаслідок цього, прямі переходи біля к = 0 відбуватися не можуть, і дозволеними залишаються тільки переходи із зони провідності в область бічного екстремума кc валентної зони. Для CdxHg1xTe складу х = 0.100.15 і при деформаціях Р 2.5 кбар прямим переходам між с-зоною і бічною вершиною v-зони, як показує розрахунок, відповідає енергія порядку 6080 меВ, що лежить далеко за межами області фоточутливості використаного в експерименті приймача. Із-за трансформації домішкових рівнів ОД, нижчий із розщеплених акцепторних рівнів перетинає вершину валентної зони і, як показує теоретичний розрахунок, внесок в рекомбінацію від непрямих міжзонних випромінювальних переходів різко зростає. В результаті виявляється можливою інверсна заселеність між рівнями зони провідності і акцепторними рівнями та реалізація режиму стимульованого випромінювання.

В третьому розділі викладені результати досліджень по визначенню домінуючого механізму рекомбінації та типу рекомбінаційних центрів у ВН CdxHg1xTe р-типу, що діють в низькотемпературному діапазоні.

До цього часу питання про домінуючий механізм в низькотемпературному діапазоні pCdxHg1xTe залишається відкритим. Спроби пояснити температурні залежності часу життя носіїв або винятково міжзонними механізмами рекомбінації [5] або з допомогою однорівневої моделі Шоклі-Ріда виявились невдалими. В роботах [6,7] була запропонована дворівнева модель Шоклі-Ріда, але тип рекомбінаційних центрів не був встановлений. В наших дослідженнях новим, в порівнянні з попередніми роботами, було застосування одночасних вимірювань ФП і ФМЕ, що дозволяє вимірювати час життя як основних, так і неосновних носіїв, а також застосування одновісного тиску, що дозволяє змінювати параметри акцепторних рівнів. Останнє може сприяти визначенню типу рекомбінаційного центру.

В експерименті досліджувались зразки pCdxHg1xTe складу х = 0.200.22 з концентрацією незкомпенсованих домішок NaNd = 3101521016 см-3. На типових для даних зразків температурних залежностях коефіцієнта Хола та питомого опору можна відмітити три характерні ділянки, що відповідають різним типам провідності, зокрема, область власної провідності (Т > 110140 K), область виснаження домішок (Т > 3040 K), де концентрація вільних дірок дорівнює концентрації незкомпенсованих акцепторів p = NaNd і практично не залежить від температури та область виморожування вільних дірок на акцепторний рівень, який має глибину залягання 68 меВ (3040 K> Т > 1015 K).

Температурні залежності phc i phm в діапазоні температур 4.2200 К показують, що в області власної провідності phc i phm співпадають. Цей факт, а також нахил кривих, свідчать про домінування тут міжзонного механізму Оже-рекомбінації. У низькотемпературному діапазоні Т < 3040 K при пониженні температури спостерігається зростання часу життя дірок h одночасно із спаданням часу життя електронів е, що дозволяє впевнено відхилити міжзонні механізми та стверджувати про домінування тут домішкового механізму Шоклі-Ріда. При цьому однорівнева модель легко могла б пояснити зростання h процесом виморожування дірок на акцепторний рівень, оскільки h p-1, де p - концентрація рівноважних дірок у валентній зоні. Але оскільки виморожування дірок ніяким чином не впливає на швидкість захвату рекомбінаційним центром електронів, зменшення часу життя неосновних носіїв е ця модель пояснити не може. Очевидно, що поруч з надійно встановленим глибоким рекомбінаційним центром, який починає діяти при температурах 110140 К, при значно нижчій температурі (коли рівень Фермі знижується і електронні стани пасток звільняються від електронів) починає приймати участь другий центр рекомбінації. Початок дії другого рекомбінаційного центру визначається різким спадом величини е, якому передує майже горизонтальна ділянка, де ще може бути застосована однорівнева модель домішкової рекомбінації.

Для визначення типу і характеристик другого рекомбінаційного центру в роботі проводилось дослідження впливу на зразки pCdxHg1xTe одновісної пружної деформації. Цей метод грунтується на тому, що ОД, майже не впливаючи на зону провідності і донорні рівні, суттєво трансформує валентну зону та пов'язані з нею акцепторні стани. При цьому зменшення усередненої ефективної маси верхньої із розщеплених підзон призводить до збільшення борівського радіуса а0 акцепторного центру та зменшення його енергії іонізації Еа. Так оцінка енергії зв'язку мілкого акцептора в граничному наближенні сильної деформації для pCdxHg1xTe складає Еа = 0.6 меВ. Тому при достатньо сильних деформаціях стани електрично активного акцептора при температурах Т > 10 К виявляються іонізованими, а концентрація вільних дірок p наближається до значення NaNd. Це призводить до різкого зниження питомого електричного опору кристалу pCdxHg1xTe із збільшенням тиску, що і підтвержують експериментально отримані деформаційні залежності RH та . Спадання цих величин пояснюється наявністю двох факторів: перш за все, зростанням концентрації вільних дірок за рахунок деформаційного спустошення акцепторних рівнів і, крім того, значним збільшенням рухливості дірок V+ - зони внаслідок зменшення їхньої ефективної маси.

В той же час ОД може дискримінувати випадки захоплення на мілкий кулонівський центр, з одного боку, і на більш глибокий центр, що описується моделлю потенціалу нульового радіусу, - з іншого. Це грунтується на різній дії одновісного тиску щодо перерізів захоплення рекомбінаційними центрами, які описуються даними моделями. Зокрема, з ростом тиску кулонівського центру має зменшуватись, а більш глибокого,- навпаки, збільшуватись [8]. Наведені деформаційні залежності phc i phm при Т = 4.2 К. Протилежний, порівняно з температурними залежностями, характер поведінки е і h свідчить про справедливість використання дворівневої моделі та про акцепторну природу другого рекомбінаційного центру. Оцінюючи вплив на час життя дірок h двох факторів: збільшення з тиском концентрації дірок р і зменшення перерізу захоплення , можна зробити висновок, що другий рекомбінаційний центр більше відповідає моделі потенціалу нульового радіусу. Оцінка деформаційного зсуву рівня Фермі показує, що глибина залягання акцептора не повинна перевищувати 1015 меВ від вершини валентної зони.

В четвертому розділі дисертації розглядається можливість суттєвого підвищення квантового виходу ІЧ випромінювання під впливом ОД у ВН InSb і CdxHg1xTe в області міжзонних рекомбінаційних переходів. Наведені розрахункові деформаційні залежності часів життя відносно міжзонних механізмів рекомбінації та квантового виходу рекомбінаційного випромінювання з ВН InSb і CdxHg1xTe. Експериментально отримані залежності інтенсивності рекомбінаційного випромінювання з ВН InSb від величини одновісної пружної деформації та рівня фотозбудження. Показане різке підвищення квантового виходу ІЧ випромінювання під дією ОД.

Як відомо, одновісний тиск призводить до суттєвої зміни зонного спектру ВН [9,10]. При цьому він знімає виродження валентної зони в точці Г8, а стани важких і легких дірок перемішуються з утворенням розщеплених анізотропних підзон V+ i V-. Із зростанням розщеплення підзон носії заряду займають головним чином підзону V+, і при низьких температурах саме ці носії визначають явища переносу. Розщеплення валентної зони і зміна ефективних мас дірок призводять до помітних змін міжзонних темпів рекомбінації. Так усереднена ефективна маса дірок істотно зменшується порівняно з масою важких дірок недеформованого кристалу. Внаслідок цього, із збільшенням тиску більша частина дірок термалізується в області малих імпульсів, і прямі випромінювальні переходи електронів із зони провідності стають більш ефективними. Це призводить до підвищення темпу міжзонної випромінювальної рекомбінації з ростом ОД, що, вже самe по собі, може спричинити певне збільшення інтенсивності рекомбінаційного випромінювання. Вплив ОД на швидкість міжзонної Оже-рекомбінації має протилежний характер. Без деформації Оже-процес з переходом електрона в зону важких дірок внаслідок малої величини співвідношення me/mh<<1 характеризується дуже низьким енергетичним порогом [12]. Але істотне зменшення ефективних мас дірок в підзонах призводить до різкого збільшення енергетичних порогів для всіх Оже-переходів, крім переходу електрона в зону V в напрямку імпульса, паралельного до вісі стиснення. Цей стан, єдиний в розщепленій валентній зоні, характеризується ефективною масою, близькою до маси важких дірок недеформованого кристалу mh. Але концентрація дірок в зоні V буде експоненційно зменшуватись із збільшенням одновісного тиску. Тому темп Оже-рекомбінації буде суттєво зменшуватись.

Вказані вище два фактори повинні спричинити підвищення квантового виходу ІЧ-випромінювання, який при сильних рівнях збудження визначається як = A/R, де A,R -відповідно часи життя відносно Оже та випромінювальної рекомбінацій. Це підтверджується результатами дослідів по вимірюванню залежностей інтенсивності рекомбінаційного випромінювання від рівня фотозбудження та величини ОД. Досліджувались зразки n-InSb з концентрацією домішок NdNa = (24)1014 см3 та рухливістю n = (35)105 cм2/Вс, в яких нерівноважні носії збуджувались імпульсами світла з довжиною хвилі = 1.06 мкм.

Наведені залежності інтенсивності випромінювання І від рівня фотозбудження L при різних значеннях пружної деформації Р. На кривих спостерігаються характерні вигини, що вказують на зміну домінуючого механізму рекомбінації. Так в діапазоні L = 5102231023 кв./см2с нахил кривої близький до 0.5, що свідчить про домінування рекомбінації Оже. При менших значеннях L для різних зразків він знаходився в межах 1.51.6, що відповідає рекомбінації Шоклі-Ріда. Такі нахили експериментальних кривих досить точно відповідають теоретично обрахованим значенням, зробленим на основі розрахунків розподілу носіїв при неоднорідному фотозбудженні з урахуванням непараболічності с-зони та малої швидкості поверхневої рекомбінації. зсув точки вигину на кривих в область більш високих рівнів збудження із зростанням ОД свідчить про пригнічення одновісним тиском механізму Оже-рекомбінації.

Інтенсивність рекомбінаційного випромінювання у випадку сильного збудження пов'язана з квантовим виходом співвідношенням: I(P) ~ (/A1/4)n1/2, де n - концентрація нерівноважних носіїв заряду. Тому очевидно, що зростання квантового виходу майже до одиниці під дією ОД спричинятиме зростання І(Р) з виходом на "насичення". Для порівняно невеликих інтенсивностей збудження така зміна повинна виникати в області менших тисків. В той же час для високих інтенсивностей збудження вказані величини тиску виявляються близькими до межі міцності кристалу. Експериментальні деформаційні залежності І(Р), зображені, якісно узгоджуються з результатами теоретичних обрахунків впливу ОД на квантовий вихід рекомбінаційного випромінювання. Так при малих значеннях L (кр.1) залежність І(Р) вже при Р 2 кбар прямує до насичення, що вказує на незначний внесок Оже-переходів в результуючу рекомбінацію. В цьому випадку зростання І забезпечується лише збільшенням темпу міжзонних випромінювальних переходів. З іншого боку, при максимальних рівнях збудження (кр.3) суперлінійна залежність І свідчить про вирішальну роль Оже-процесів в цьому діапазоні та про те, що тут зростання І(Р) в основному зумовлене пригніченням Оже-рекомбінації одновісним тиском. Крива 2 відповідає проміжному випадку. Очевидно, що величина Р = 4.5 кбар, отримана в експерименті, виявляється недостатньою і неповністю використовує можливостi пружно-деформованого стану по збільшенню квантового виходу рекомбінаційного ІЧ-випромінювання, оскільки кристали InSb можуть витримувати значно більші механічні напруження [13].

Насамкінець, слід відмітити, що створення необхідного пружно-деформованого стану в напівпровідниковій структурі технологічно легко може бути здійсненим. Його можна отримати, наприклад, за рахунок різниць сталих решіток матеріалу підкладки та нанесеного епітаксійного активного шару основного матеріалу. Інша можливість створення ОД обумовлена врахуванням різниці коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів.

Висновки

Наведемо основні результати та висновки дисертаційної роботи:

Експериментально показано, що при накладанні одновісної пружної деформації інтенсивність спонтанного випромінювання далекого ІЧ діапазону із БН CdxHg1xTe суттєво зменшується. Це пов'язано, головним чином, з утворенням енергетичної щілини між зоною провідності та валентною зоною і різким зменшенням концентрації електронів в зоні провідності внаслідок переходу їх на акцепторний рівень, що потрапляє в індуковану тиском заборонену зону.

Виявленe різке підвищення (майже на 3 порядки) інтенсивності далекого ІЧ випромінювання із БН CdxHg1xTe при порогових значеннях напруги електричного поля та тиску. Про стимульований характер даного випромінювання свідчать стрибкоподібне зростання його інтенсивності, наявність порогів електричного поля та тиску, визначальна роль паралельності граней зразка та різке зростання величини струму (в декілька разів), що супроводжує стрибок випромінювання.

Запропонованa фізичнa модель, що пояснює виникнення стимульованого випромінювання у БН CdxHg1xTe різким зростанням непрямих переходів із зони провідності на акцепторний рівень під час перетину ним вершини бічного екстремуму валентної зони. Дана модель має теоретичне обгрунтування.

З експериментально отриманих температурних і деформаційних залежностей часу життя основних і неосновних носіїв струму в дірковому ВН CdxHg1xTe. доведенe домінування в низькотемпературному діапазоні (Т < 3040 К) домішкової рекомбінації Шоклі-Ріда.

Показано, що однорівнева модель рекомбінації Шоклі-Ріда не може пояснити особливості фотоелектричних властивостей р-CdxHg1xTe в низькотемпературному діапазоні. Тому для їх інтерпретації запропонована дворівнева модель домішкової рекомбінації з врахуванням виморожування дірок на акцепторний рівень..

Визначено, що крім відомого рекомбінаційного центру 4045 меВ при низьких температурах починає діяти ще один рівень, який є акцептором некулонівського типу і має глибину залягання 1015 меВ.

На основі чисельного розрахунку деформаційних залежностей часу життя носіїв струму відносно двох основних міжзонних механізмів рекомбінації- випромінювальної і Оже - та квантового виходу рекомбінаційного випромінювання із ВН InSb і CdxHg1xTe зроблений висновок про зростання темпу випромінювальної та спадання темпу Оже-рекомбінації із збільшенням величини ОД, що, в свою чергу, спричиняє зростання квантового виходу рекомбінаційного випромінювання.

З нахилів експериментально отриманих залежностей інтенсивності рекомбінаційного випромінювання від рівня фотозбудження визначений тип домінуючих рекомбінаційних механізмів при різних рівнях величини збудження.

Отриманий експериментальний доказ явища суттєвого пригнічення одновісною пружною деформацією темпу Оже-рекомбінації з аналізу кривих залежності рекомбінаційного випромінювання від рівня фотозбудження при різних значеннях ОД.

Доведене суттєве (в декілька разів) зростання квантового виходу рекомбінаційного ІЧ-випромінювання у ВН InSb в області міжонних переходів, що відбувається, в основному, за рахунок пригнічення Оже-рекомбінації одновісним тиском.

Список публікацій за темою дисертаційної роботи:

Gasan-zade S.G., Shepelskii G.A., Staryi S.V., Strikha M.V., Vasko F.T. Stimulated emission of far infra-red radiation from uniaxially strained gapless Hg1xCdxTe// SPIE. IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics.-Kyiv (Ukraine).-1998.-P.15.

Gasan-zade S.G., Shepelskii G.A., Staryi S.V., Strikha M.V., Vasko F.T. Stimulated emission of far infra-red radiation from uniaxially strained gapless Hg1xCdxTe// Proc. International Conf. Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics IV.- Kyiv (Ukraine).-1999.-P.35-39.

Васько Ф.Т., Венгер Е.Ф., Гасан-заде С.Г., Стриха М.В., Старый С.В., Шепельский Г.А. Дальнее ИК стимулированное излучение в одноосно-напряженном бесщелевом CdxHg1xTe// II Межгосударственная научно-техническая конференция по квантовой электронике.-Минск (Беларусь).-1998.-С.72.

Венгер Е.Ф., Гасан-заде С.Г., Стриха М.В., Старый С.В., Шепельский Г.А. Дальнее инфракрасное стимулированное и спонтанное излучение в одноосно-деформированном бесщелевом Hg1xCdxTe// ФТП.-2000.-Т.34, №7.-С.791-795.

Напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону Патент по заявці №98105519. Україна. Н01S3/025, 3/085/ Васько Ф.Т., Венгер Е.Ф., Гасан-заде С.Г., Старий С.В., Стріха М.В., Шепельський Г.А.; Заявлено 20.10.98; Опубл.16.04.01, Бюл.№3.

Гасан-заде С.Г., Старый С.В., Стриха М.В., Шепельский Г.А. Низкотемпературные особенности фотоэлектрических свойств кристаллов CdxHg1xTe с дырочной проводимостью: влияние вымораживания дырок и упругого напряжения// ФТП.-2000.-Т.34, №10.-С.1187-1193.

Gasan-zade S.G., Linnyk L.F., Shepelskii G.A., Staryi S.V., Strikha M.V. Enhancement of quantum efficiency of narrow-gap semiconductors infrared emission// SPIE. V International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics.-Kyiv (Ukraine).-2000.-P.57.

Gasan-zade S.G., Kollyuch A.G., Linnyk L.F., Shepelskii G.A., Staryi S.V., Strikha M.V., Boiko V.A. Enhancement of quantum efficiency of narrow-gap semiconductors infrared emission// Proc. International Conf. Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics V.- Kyiv (Ukraine).-2000.-P.155-160.

Гасан-заде С.Г., Старый С.В., Стриха М.В., Шепельский Г.А., Бойко В.А. Упруго-напряженное состояние в узкощелевых полупроводниках: принципиальная возможность повышения квантового выхода инфракрасного излучения в условиях междузонной ударной рекомбинации// Письма в ЖЭТФ.-2001.-Т.73, №9.-С.561-564.

Анотація

Старий С.В. Трансформація рекомбінаційних механізмів, підвищення квантового виходу та генерація випромінювання в CdxHg1xTe i InSb під впливом одновісного напруження.-Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. Інститут фізики напівпровідників Національної Академії наук України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню впливу одновісної пружної деформації на фотоелектричні властивості та рекомбінаційні механізми вузькозонних напівпровідників CdxHg1xTe та InSb.

В одновісно-деформованому безщілинному CdxHg1xTe з х = 0.100.14 в умовах ударної іонізації електричним полем виявленa генерація стимульованого випромінювання в діапазоні 80100 мкм. Стрибок випромінювання виникає при порогових значеннях пружної деформації та електричного поля і супроводжується стрибком струму. Отримані польові та деформаційні залежності інтенсивності спонтанного випромінювання. Запропонований механізм зазначеного ефекту з урахуванням трансформації одновісним тиском енергетичних зон та домішкових акцепторних рівнів. На основі вимірювань температурних та деформаційних залежностей фотопровідності та фотоелектромагнітного ефекту в р-CdxHg1xTe (х = 0.200.22) показано, що рекомбінаційні переходи в температурному діапазоні Т < 3040 К можуть бути інтерпретовані в рамках дворівневої моделі Шоклі-Ріда з урахуванням виморожування основних носіїв струму - дірок. При цьому визначено, що другий рекомбінаційний центр є акцептором некулонівського типу з енергією іонізації порядку 1015 меВ. Експериментально доведено, що створення пружно-деформованого стану у вузькозонних напівпровідниках дозволяє істотно послабити безвипромінювальну міжзонну рекомбінацію Оже за рахунок трансформації валентної зони і суттєво підвищити квантовий вихід рекомбінаційного випромінювання.

Ключові слова: вузькозонні напівпровідники, одновісна пружна деформація, рекомбінаційні механізми, стимульоване випромінювання, квантовий вихід, інфрачервоний діапазон.

Аннотация

Старый С.В. Трансформация рекомбинационных механизмов, повышение квантового выхода и генерация излучения в CdxHg1xTe и InSb под влиянием одноосного напряжения.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. -физика твердого тела. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена исследованию влияния одноосной упругой деформации на фотоэлектрические свойства и рекомбинационные механизмы в узкозонных полупроводников CdxHg1xTe и InSb.

В одноосно-деформированном бесщелевом CdxHg1xTe с х = 0.100.14 в условиях ударной ионизации электрическим полем обнаружено генерацию стимулированного излучения в диапазоне 80100 мкм. Скачек излучения происходит при пороговых значениях упругой деформации и электрического напряжения, зависит от паралельности граней образца и сопровождается скачком тока. Предложен механизм наблюдаемого эффекта, который заключается в создании инверсной заселенности между уровнями зоны проводимости и акцепторным уровнем, перешедшим под воздействием одноосного давления в соприкосновение с потолком верхней из расщепившихся валентных подзон, и резким возрастанием вследствие этого непрямых излучательных переходов между указанными уровнями. Получены также полевые и деформационные зависимости интенсивности спонтанного излучения. Его уменьшение с ростом давления (до пороговых переходов) связано с вымораживанием электронов зоны проводимости на акцепторный уровень, который перешел из резонансного состояния в энергетическую щель, образованную одноосной деформацией.

Получены температурные и деформационные зависимости фотопроводимости, фотоэлектромагнитного эффекта а также темновой электрической проводимости и коэфициента Холла в р-CdxHg1xTe с составом х = 0.200.22. На основании этих данных показано, что ни междузонная рекомбинация, ни одноуровневая модель рекомбинации Шокли-Рида не в состоянии объяснить особенности фотоэлектрических свойств указанного материала в низкотемпературном диапазоне Т < 3040 К и, в частности, резкое уменьшение с понижением температуры времени жизни неосновных носителей - электронов. Для интерпретации рекомбинационных переходов в данном температурном диапазоне предложена двухуровневая модель Шокли-Рида с учетом вымораживания основных носителей тока - дырок. Показано, что второй рекомбинационный центр, который проявляется лишь в указанном диапазоне температур, является акцептором некулоновского типа с энергией ионизации 1015 мэВ.

В узкощелевых полупроводниках с прямой запрещенной зоной (CdxHg1xTe, InSb) наличие интенсивной междузонной безызлучательной рекомбинации Оже является принципиальным препятствием для создания эффективных источников ИК излучения на их основе. Показано, что создание упруго-напряженного состояния позволяет с одной стороны увеличить предельное значение фоточувствительности материала, а с другой - существенно (многократно) увеличить квантовый выход ИК излучения. Получены экспериментальные зависимости интенсивности рекомбинационного излучения из InSb от величины одноосно-упругого напряжения и уровня фотовозбуждения. Они хорошо согласуются с численным расчетом деформационных зависимостей квантового выхода рекомбинационного излучения и времен жизни носителей тока относительно излучательной и безызлучательной рекомбинаций. Существенное (в несколько раз) увеличение квантового выхода рекомбинационного излучения при сильных уровнях возбуждения происходит, главным образом, благодаря подавлению Оже-рекомбинации упругим напряжением за счет трансформации валентной зоны и резкого увеличения вследствии этого энергетических порогов для рекомбинационных Оже-переходов.

Ключевые слова: узкозонные полупроводники, одноосная упругая деформация, рекомбинационные механизмы, стимулированное излучение, квантовый выход, инфракрасный диапазон.

Abstract

Staryi S.V. Recombination mechanisms transformation, quantum efficiency enhancement and generation of radiation in Hg1xCdxTe and InSb caused by uniaxial strain. - Manuscript.

Thesis submitted for a Candidate of Sciences (Physics and Mathematics). Degree in speciality 01.04.07. - Solid State Physics. - Institute of Semiconductor Physics Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2002.

The thesis is devoted to investigations of uniaxial elastic strain influence on photoelectrical properties and recombination mechanisms in narrow gap semiconductors Hg1xCdxTe and InSb.

Stimulated radiation in the range of 80100 m was observed in uniaxially stressed zero-gap Hg1xCdxTe (x = 0.100.14) under conditions of impact ionization induced by an electric field. The abrupt increase in emission occurs under the threshold values of elastic strain and electric field strength and is followed by an abrupt increase in the current in the sample. The field and deformation dependences of spontaneous radiation are also determined. The mechanism of the effect observed is suggested taking into account the transformation of energy bands and impurity acceptor levels by the uniaxial elastic stress. Temperature and deformation dependence of photoconductivity and photoelectromagnetic effect in the p-Hg1xCdxTe with x = 0.200.22 at low temperatures are measured. It was shown, that the recombination transition in the T < 3040 K temperature range can be interpreted within the two level Shockly-Reed's model taking into consideration the holes freezing-out effect. The second recombination center is the non-Coulombic type acceptor with ionisation energy about 1015 meV. Uniaxial strain in narrow gap semiconductors decreases the band-to-band radiationless Auger recombination dramatically due to transformation of valence band and increases quantum efficiency radiation of recombination essentially.

Key words: narrow gap semiconductors, uniaxial elastic strain, recombination mechanisms, stimulated radiation, quantum efficiency, infrared range.

Размещено на Allbest.ru