Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

в таких полупроводниках легко различимы два типа глубоких переходов: 1) переходы «зона проводимости — акцептор», при которых испускаются кванты с энергией hv = Е g — ЕА, и 2) пе­ реходы «доноры — валентная зона» с излучением фотонов с боль­

Ф и г. 6.26. Положение максимума в спектрах катодолюминесценции как функция уровня легирования кристаллов GaAs п- и p-типа при 77 и 300 К

[31].

знать тип проводимости материала и сопоставить интенсивность излучения с концентрацией примесных центров.

На фиг. 6.26 изображена зависимость положения максимумов полос излучения в GaAs от концентрации легирующих приме­ сей [31]. При низких концентрациях примесей (< 1 0 18 см-3) наблюдаются два типа излучательных переходов. Для одного из них hv = Eg — Е D, где Е D в согласии с результатами расчета по водородоподобной модели составляет около 0,006 эВ. Очевид­ но, что это переходы «донор — валентная зона». Для другого типа переходов hv = E g — ЕА, где ЕА = 0,03 эВ. Это переходы «зона проводимости — акцептор». Изменения в энергиях переходов при высоких уровнях легирования ( > 8 -ІО17 см-3) обусловлены эффек­ тами образования хвостов состояний и примесных зон, которые

мы рассмотрим позже. Внимательный читатель мог заметить, что, хотя два наиболее слабо легированных образца GaAs (фиг. 6.26) имеют м-тип проводимости, в их спектре излучения присутствуют переходы «зона проводимости — акцепторный уровень». Этот факт, вероятно, связаи с присутствием в этом материале остаточных неконтролируемых акцепторных примесей. (При малых концент­ рациях большинство акцепторов Zn [32], Cd [33], Be [34], Si [35] создает в GaAs мелкий уровень, расположенный на 30 мэВ выше валентной зоны.)

Аналогичные данные по зависимости положения максимумов полос от уровня легирования получены [32] при исследовании

К он ц ен т р а ц и я н осит елей, с м '3

Ф и г. 6.27. Положение максимума краевой полосы фотолюминесценции при 77 К для кристаллов и-типа, легированных Те (І), и кристаллов р-тіта, легированных Zn (2), как функция уровня их легирования [32].

фотолюминесценции GaAs. Эти данные (фиг. 6.27) также показы­ вают, что в GaAs при концентрации доноров, меньшей 5 -ІО17 см-3, имеют место излучательные переходы «донор — валентная зона», а переходы «зона проводимости — акцептор» являются основными при концентрации акцепторов, меньшей 2 ПО18 см-3.

Интересно, что по спектрам излучения легко проследить за тем, как по мере возрастания концентрации примеси ее энергети­ ческий уровень размывается и превращается в примесную зону. На фиг. 6.28 показано расширение спектра излучения GaAs р-типа при возрастании концентрации акцепторов. Сужение зоны, обус­ ловленное высоким уровнем легирования, приводит к сдвигу положения максимума полосы излучения в сторону низких энер­ гий [36]. Зависимости полуширины полосы излучения от уровня легирования для образцов р-GaAs и п-GaAs приведены соответст­ венно иа фиг. 6.29 и 6.30 [37].

Донорный уровень в полупроводниках с непрямой запрещен­ ной зоной связан с наиболее низколежащим минимумом зоны про-

в переходах «донор — валентная зона» должен принимать участие фонон. Участие фонона необходимо также при переходах из непря­

Ф и г. 6.30. Полуширина полосы излучения в GaAs п-тппа при 300 К как функция концентрации свободных электронов [37].

На фиг. 6.31 показаны спектры излучения для образцов Si, легированных разными примесями [38]. В рекомбинационных переходах принимают участие два типа фононов, обеспечи­ вающих сохранение импульса. Их энергии (Ер) в Si равны 0,016 эВ для LA-фонона и 0,055 эВ для УО-фоиона.

Значения энергий ионизации для примесей (Et) (в электронвольтах) в порядке возрастания составляют: 0,046 (В); 0,069 (Ві); 0,071 (Ga) и 0,16 (In). Длинная вертикальная черта на фигуре

Для образца, легированного In, и несколько в меньшей сте­ пени для образца, содержащего Ві, в коротковолновой части спект­ ров наблюдаются переходы с меньшими значениями Ер, а также бесфононные переходы.

Бесфонониые переходы особенно сильны в Ge, умеренно леги­ рованном As [39]. Переходы с участием LA-фононов имеют энер­ гию немного меньше 0,71 эВ (фиг. 6.32). Отметим, что в Ge, содер-

жащем Sb, бесфоноыная линия, напротив, очень слаба. Эти факты— проявление индивидуальных свойств различных донорных приме­ сей. Возрастание концентрации примесей вызывает смещение спектра излучения к низким энергиям вследствие эффективного сужения ширины запрещенной зоны, обусловленного размытием краев зон- (фиг. 6.32). При очень высоких уровнях легирования примесная зона расширяется и сливается с хвостом состояний зоны проводимости. Это приводит к чрезвычайно широкому спект­ ру излучения.

3. Переходы на глубокие уровни

Примеси, обладающие большими энергиями ионизации, обра­ зуют уровни, расположенные глубоко в запрещенной зоне Излу­ чательные переходы «зона — глубокий уровень» имеют энергию км = Eg — E t. Например, элементы переходной группы создают

Ф и г. 6.33. Спектральное распределение излучения в GaAs, легированном железом, кобальтом и никелем.

Вертикальная пунктирная кривая (справа) — край зоны при 77 К [40].

в GaAs глубокие акцепторные центры со следующими энергиями ионизации (E t): 0,36 эВ (Fe); 0,35 эВ (N1); 0,345 эВ (Со) [40]. Вид соответствующих спектров излучения показан на фиг. 6.33. Относительно меди известно [41], что введение ее в GaAs приводит к образованию, помимо относительно мелкого донорного уровня (Еі = 0,07 эВ), двух глубоких акцепторных уровней с энергиями ионизации 0,18 эВ и 0,41 эВ. Пример спектра излучения для GaAs, легированного Си, приведен на фиг. 6.34.

Кислород ведет себя в GaAs как нейтральный центр, не прояв­ ляя ни донорных, ни акцепторных свойств. Увеличение содержа­

Ф и г. 6.35. Полоса фотолюми­ несценции, обнаруживаемая в GaAs «-типа, легированном