Файл: Прикладная электролюминесценция..pdf

концентраций доноров и акцепторов (NR—Na). На следующем участке Ет3=0,5Ел. Концентрация электро­ нов в точке пересечения участков 3 п 4 соответствует суммарной концентрации, компенсирующих; акцепторов.

ность не зависят от температуры. Проводимость осуще­ ствляется по зоне примесных состояний, что согласует­ ся с результатами исследований магнитосопротивления

от вида примесей и отконцентрации компенсирующих примесей {36]. При увеличении концентрации примесей энергия термической активации уменьшается. Проис-хо: дит это потому, что если рядом с донором находится ионизированный'акцептор, то электрическое поле этого акцептора частично компенсирует поле донора и -тем самым уменьшает энергию связи его с электроном;.. Топно также уменьшают энергию ионизации доноров-.сво; бодные электроны. В хороших люминофорах содержит­ ся порядка 1018 см-3 доноров и акцепторов. При этом энергия активации примесей примерно на 0,07 эВ мень­ ше, чем в слаболегировацных образцах;. При, измерениях

77

Этим, по-видимому, можно объяснить значительный раз­ брос энергий активации примесей, приведенных в раз­ личных работах.

Исследования спектров фотолюминесценции также позволяют определить энергетические уровни центров люминесценции. Так было найдено, что азот в слаболе­ гированном карбиде кремния может иметь три различ­ ных энергетических уровня: 0,17 эВ; 0,20 эВ и 0,23 эВ [37] в зависимости от положения в кристаллической ре­ шетке. Алюминий образует уровни с энергиями 0,29 эВ; 0,39 эВ и 0,49 эВ {38].

Исследования спектров электролюминесценции фос­ фида галлия, легированного различными примесями, по­ зволили с высокой точностью определить их энергии активации [39].

В арсениде галлия примеси имеют настолько мелкие уровни, что при комнатной температуре они в основном ионизуются. При концентрации доноров больше чем 5 -1017 см~3 примесная зона перекрывается с зоной про­ водимости и концентрация электронов не зависит от тем­ пературы в широких пределах. Более подробные сведе­ ния об электрических свойствах арсенида и фосфида галлия читатель сможет найти в книге Маделунга [40], вышедшей в русском переводе в 1967 г.

Исследование излучательной рекомбинации в фосфи­ де галлия, легированном одновременно различными мел­ кими донорами и акцепторами, показало, что при заме­ не как донорной, так и акцепторной примеси положение максимума в зеленой полосе люминесценции изменя­ лось. Это говорит о том, что зеленая полоса люминес­ ценции фосфида галлия связана с туннельным перево­ дом электронов с доноров на акцепторы*. При низких температурах в спектрах фотолюминесценции со сторо­ ны больших значений энергий квантов наблюдались многочисленные линии излучения, связанные с тем, что при излучательных переходах электронов с доноров на акцепторы, которые расположены на разном расстоянии

* Такой вид переходов иногда называют рекомбинацией на до­ норно-акцепторных парах, хотя это определение не совсем удачно, поскольку электрон, локализованный на доноре, может рекомбиниро­ вать е адркой, локализованной на любом из близко расположенных акцепторов.Дучше называть такие переходы «межпримесной реком­

бинацией»,

78

Я друг Ot друга, выделяется различная энергий:

Последний член в этой формуле появляется по еле* дующей причине. Перед актом рекомбинации донор и акцептор нейтральны, поэтому энергия начального со­ стояния Е — Еа— (Ел+ Е а) не Зависит от расстояния между донором и акцептором. После акта рекомбинации донор и акцептор оказываются заряженными. Их энергия тем меньше, чем меньше расстояние между ни­ ми, это соответствует закону Кулона Д £ = —^/(ех). По­ скольку выделяемая в процессе рекомбинации энергия есть разность между энергиями начального и конечного состояний, то различие в энергиях конечных состояний и приводит к появлению зависимости энергии излучен­ ных квантов от расстояния. ■

Отдельные линии в спектре появляются потому, что атомы в кристаллической рещетке могут отстоять друг от друга на строго определенных расстояниях, завися­ щих от постоянной решетки и ее структуры. Положение линий и их интенсивность находятся в хорошем соответ­ ствии с теоретическим расчетом спектра излучения фос­ фида галлия, проведенного с учетом перечисленных обстоятельств [41].

В том случае, если доноры и акцепторы замещают одинаковые атомы кристаллической решетки (например, атомы фосфора в фосфиде галлия), то получается спектр излучения одного типа, если разцые (например, доноры замещают фосфор, а акцепторы — галлий), то — друго­ го типа. По виду спектров можно заключить, какие из атомов замещаются данной примесью, если известно по­ ложение в решетке компенсирующей примеси.

Обычно линейчатый спектр наблюдается тогда, ко­

10—30 А. Линии, соответствующие большему расстоя­ нию, располагаются столь близко друг к другу, что они перекрываются, образуя широкую полосу излучения

смаксимумом, соответствующим расстоянию между

партнерами 50 А. Эта широкая полоса излучения обес­ печивает зеленый цвет свечения инжекционных источ­ ников света из фосфида галлия при комнатной темпе­ ратуре. Она почти не смещается при изменении интен-

79

Сивносм возбуждения. Ее сложная природа проявляется

главным образом в послесвечении. Затухание этой по­ лосы люминесценции не экспоненциально, причем бо­ лее коротковолновое излучение затухает быстрее. С те­ чением времени после окончания возбуждения затуха­ ние все более и более ‘замедляется. .

При введении в .фосфид галлия акцепторной приме­ си (цин-ка или кадмия) и кислорода появлялось интен­ сивное красное излучение с максимумом в спектре при энергиях квантов 1,75 эВ * и инфракрасное излуче­ ние с максимумом при $,о)=1,4 эВ. Спектр инфракрасно­ го излучения, при низкой температуре имеет узколиней­ чатую структуру со стороны высоких энергий квантов, переходящую в широкую полосу излучения. Линейча­ тая часть спектра хорошо описывается с помощью моде­ ли'излучательной межпримесной рекомбинации. Поло­ жение линий строго соответствует формуле (2.2). При­ няв в.этой формуле х = оо, по известным значениям Eg и;Е:а можно определить энергию ионизации изолирован­ ного; атома кислорода. Она оказалась равной 0,893 эВ. (энергия; отсчитана от дна зоны проводимости).

• ■ Источники света.* излучающие в. красной полосе, име­ ют весьма высокую .эффективность. В отличие от зеле­ ной и инфракрасной полос люминесценции затухание красной полосы происходит по экспоненциальному за­ кону. При низкой температуре в спектре фотолюминес­ ценции кристаллов, легированных кислородом и кад­ мием, со стороны больших энергий квантов появляется система узких линий,, наличие которых было объяснено передачей части энергии одному или нескольким фоно­ нам.. При замене кислорода или кадмия их изотопами положение некоторых узких линий изменялось. Это озна­ чает, что обе примеси участвуют в акте излучательной рекомбинации. Положение широкой полосы практически не изменялось, даже .если кадмий заменяли цинком. При тагом замене лишь исчезали узкие линии. Авторы работ [42—43] объяснили наличие красной полосы люмицес-

* Пэд спектром здесь .понимается''зависимость относительного количества; квантов, излучаемых в единицу времени в единичном интервалеанергии, от , энергии квантов. Если. вместо количества квантов взять мощность излучения в единичном интервале длин волн, То максимум в спектре сместится в коротковолновую сторону.

80

Цеицин При комнаткой температуре’ аннигиляцией экСИгонов, локализованных на ионных комплексах, обра­ зованных атомами кислорода и атомами акцепторов, расположенных в ближайших узлах кристаллической решетки. Другие полосы люминесценции фосфида гал­

Благодаря кулоновскому полю акцепторов компен­ сация заряда, о которой мы говорили при рассмотрении свойств соединений AnBVI, играет большую роль и в других соединениях. На существенную роль ионных комплексов [44] указывает влияние закалки и отжига образцов на квантовый выход фотолюминесценции. По­ сле нагревания кристаллов до 800— 1000°С и резкого их охлаждения (закалка) интенсивность люминесценции уменьшалась в несколько раз. После выдержки образ­ цов при температуре 700 °С в течение нескольких часов , (отжиг) интенсивность фотолюминесценции в несколько раз увеличивалась (точно также, как это было обнару­ жено для светодиодов).

Центры люминесценции в карбиде кремния менее изучены. Интенсивность фотолюминесценции в желтой полосе с максимумом около 2,05 эВ, которую излучают наиболее эффективные светодиоды, зависит от концен­ трации азота и бора [46]: Если в кристаллы вместо бора вводить алюминий, то они не будут люминесцировать при комнатной температуре. При низких температурах максимум фотолюминесценции образцов с алюминием смещался в сторону' больших энергий квантов на вели­ чину, соответствующую разности энергий активации бо­ ра и алюминия. Это указывает'на то, что акцептор уча­ ствует в акте излучательной рекомбинации.

Сумма энергии излучаемого кванта (2,0 эВ) и энер­ гии термической ионизации акцептора (0,4 эВ в случае бора) существенно меньше энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны карбида кремния (3,0 эВ), поэтому излучение нельзя объяснять рекомбинацией ды­ рок со свободными электронами или электронами, лока­ лизованными на уровнях азота. Как известно, азот за­ мещает атомы углерода в решетке карбида кремния и гшеет энергию активации около 0,2 эВ. Однако в сплав­ ных р-п переходах из карбида кремния, легированного только азотом, наблюдалась полоса люминесценции

с максимумом при 2,3 эВ. Поэтому в [46] предполагает­ ся, что азот образует также уровень, отстоящий при­ мерно на 0,6 эВ от дна зоны проводимости. Такой уро­ вень может образоваться в результате замещения азотом кремния. В этом случае желтую полосу люми­ несценции можно объяснить межпримесной рекомбина­ цией. Таков же, по-видимому, механизм низкотемпера­ турной фотолюминесценции карбида кремния, легиро­

с большой точностью определена ширина запрещенной зоны полупроводников. При комнатной температуре ши­ рина запрещенной зоны арсенида галлия £о=1,43 эВ [47], фосфида галлия EG—2,26 эВ [48, 49], карбида крем­ ния (модификация 6Н) EG= 2,95 эВ [37].

Ширина запрещенной зоны у карбида кремния в за­ висимости от структуры кристаллической решетки мо­ жет изменяться от 2,3 до 4,1 эВ. Она находится в пря­ мой зависимости от числа гексагональных слоев 'в од­ ном периоде решетки. Наиболее распространенной является модификация 6Н. При выращивании монокри­ сталлов методом Лели около 80% всех кристаллов име­ ют такую структуру. Изменяя температуру выращива­ ния кристаллов, можно в некоторых пределах изменять соотношение между выходом кристаллов различных мо­ дификаций. Одни и те же примеси в различных полити­ пах карбида кремния обладают близкими по величине энергиями активации. При введении бора и азота в кар­ бид кремния различных модификаций появляется поло­ са люминесценции, которая смещается в соответствии с изменением ширины запрещенной зоны. Наличие не­ скольких модификаций кристаллов карбида кремния по­ зволяет цзготавливать из него источники света с раз­ личным спектром, применяя одни и те же легирующие примеси. Максимум в спектре люминесценции можно плавно смещать, изменяя соотношение между компонен­ тами в твердых растворах. Так, используя Q aksxP ^ x, можно получить излучение с максимумом в диапазоне от 1,4 до 2,2 эВ. Применение твердых растворов откры­ вает широкие возможности для согласования спектров излучения со спектральной чувствительностью фотопри­ емников.

82