CC BY
17
УДК 621.315.592:535.215
ФОТОЭДС И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ
гпТе/Сс!хгп1_хТе
Е. Н. Агафонов, А. Н. Георгобиани1, Л. С. Лепнев, Ю. Г. Садофьев
Выращенные методом МВЕ нелегированные многоямные квантовые структуры ZnTe|CdxZn\-xTe с напряженными слоями исследовались методами фотоЭДС (РУ) и катодолюминесценции (СЬ). В спектрах РУ всех образцов, полученных при температурах 77 К и 293 К, обнаружена полоса П-образной формы. Высокоэнерегетическая и низкоэнергетическая границы этой полосы соответствуют рассчитанным значениям энергий зона-зонного перехода в образующих структуру материалах. Высказано предположение о наличии в их кристаллической решетке встроенных электрических полей, увеличивающих вероятности непрямых переходов под действием света (эффект Франца-Келдыша).
Квантово-размерные структуры, изготовленные из соединений П-У1 групп, являются перспективными материалами для создания ряда оптоэлектронных приборов. Этому способствуют такие их свойства, как прямые энергетические зоны и диапазон значений энергий запрещенной зоны, перекрывающий широкую область видимого спектра. Одним из факторов, который сдерживает их применение, является рассогласование по параметру кристаллической решетки материалов ямы и барьера, а также обычно используемого в качестве подложки ОаАв. Оно способствует формированию дефектов несоответствия на гетерограницах и приводит к появлению встроенных механических
1Е-таП:£еог§ @ sci.lebedev.ru
напряжений. Эти факторы недостаточно изучены и в реальных структурах контролируются плохо. Как следствие, имеется значительный разброс в литературных данных о зонной диаграмме таких квантово-размерных структур. Например, диапазон значений относительного разрыва зоны проводимости Qc — А Ес/(АЕс + АЕу), где А Ее и АЕу - разрывы зоны проводимости и валентной зоны, в работах разных авторов составляет от 0.75 до 1.2 [1 - 5].
Для исследования зонной диаграммы квантово-размерных структур на основе соединений II-VI обычно используются оптические методы. Однако дополнительную информацию о структурах можно независимо получить и из электрических измерений. В данной работе исследовались многоямные квантовые структуры состава ZnTe/CdxZni-xTe методами катодолюминесценции (CL) и фотоЭДС (PV).
Исследованные образцы были изготовлены методом молекулярно-лучевой эпитак-сии (МВЕ) без намеренного легирования. Использовались проводящие подложки п+-GaAs ориентации (001), отклоненные на 3° к направлению (110). Структуры содержали буферный слой ZnTe толщиной 1.5 мкм, выращенный в условиях сосуществования поверхностных реконструкций типов (2 х 1) и с(2 х 2) при температуре 350°. Этот режим роста контролировался методом дифракции отраженных быстрых электронов (RHEED) и достигался при отношении эффективных давлений молекулярных пучков Zn и Те, равном 1:2. Скорость роста буферного слоя составляла 2 Л/с. В процессе выращивания квантово-размерной структуры она была уменьшена до 1 А/с, а эффективная температура подложки поддерживалась на уровне 280°С. Состав и толщина квантовых ям и барьеров структур контролировались методом дифракции быстрых электронов (RHEED). Над структурой выращивался покровный слой ZnTe толщиной 150 нм. Для проведения контрольных экспериментов при таких же условиях был изготовлен не содержащий квантово-размерной структуры слой ZnTe. толщиной 1.9 мкм на проводящей подложке GaAs. Основные параметры исследованных в работе структур приведены в табл. 1.
С целью проведения фотоэлектрических измерений из исследуемых квантово-размерных структур были изготовлены диоды Шоттки. Барьерный контакт на лицевой стороне образца получали путем напыления в вакууме iVz, омический контакт на подложке из GaAs - путем вплавления In. Все образцы обладали высоким электрическим сопротивлением.
Таблица 1
Технологические параметры образцов, х - содержание С<1, Ь\у и - толщина квантовых ям и барьеров в структурах.
Образец Состав X Число ям Ьв(°А)
220 0.25 7 50 80
221 CdxZnl-xTe/ZnTe 0.15 10 100 100
222 0.27 15 70 100
Фотовольтаические измерения производились при температурах 77 К и 273 К. Возбуждение носителей заряда осуществлялось прошедшим через монохроматор непрерывным светом лампы накаливания. Было обращено внимание на обеспечение линейной зависимости фотоотклика от интенсивности возбуждающего света. С этой целью интенсивность освещения в исследуемом спектральном диапазоне была выбрана достаточно низкой. Была проведена серия контрольных измерений, подтвердивших линейность указанной зависимости.
Все измеренные спектры фотоЭДС содержат полосу П-образной формы в энергетической области 2.1 - 2.4 эВ. Спектры некоторых образцов, измеренные при температуре 77 К, представлены на рис. 1. Измерения всех спектров РУ проводились как при уменьшении, так и при увеличении энергии квантов возбуждающего света. В обоих случаях спектральная область, содержащая П-образную полосу, воспроизводилась одинаково. В измеренных при температурах 77 К и 293 К спектрах фотоЭДС слоя 2пТе на подложке из О а Аз, не содержащего квантово-размерной структуры, указанная П-образная полоса отсутствует. Это позволяет заключить, что ее появление в спектрах образцов связано с физическими процессами, происходящими в области квантово-размерной структуры.
Для независимого измерения отдельных параметров и контроля качества всех квантово-размерных структур измерялись их спектры СЬ при температуре 14 К. Методика этих измерений описана в работе [6]. Все спектры содержат по одной интенсивной линии, связанной с экситонным излучением, соответствующим параметрам квантовых ям в образце. Ширина этой линии на полувысоте составляет порядка 20 мэВ. Краевое излучение буферного слоя ZтгTe слабее на 2 - 3 порядка, что указывает на достаточно высокое качество структур.
С целью интерпретации полученных экспериментальных данных были рассчитаны значения ширины запрещенной зоны материалов квантово-размерных структур в зависимости от температуры и содержания компонент в тройном соединении. Для определения ширины запрещенной зоны в зависимости от температуры была использована
0.10
0.08 -
0.06 -
[
0.04 "
0.02 -
0.0 --0.02
Ьу,эВ
1.8 2.0 2.2 —1—I—.—.___I_I_I_I_I_I_I
2.4
2.6 I_I.
Т=77 К
• I 1
700
■ I ■
650
600 "к, нм
■ 1 ■
550
—I—г_
500
Рис. 1. Спектры фотоЭДС многоямных квантовых структур ZnTe|CdxZn■í^xTe, измеренные при температуре 77 К.
подгоночная формула с тремя параметрами, хорошо согласующаяся с экспериментальными данными [7]:
Еа{Т) = Ее|т=0 - БПш - .
(1)
Здесь Ес\т=о ~ ширина запрещенной зоны при абсолютном нуле температур, 5' - безразмерный параметр, Нш - среднее значение энергии фонона, к - постоянная Больцмана. Зависимость ширины запрещенной зоны в материале квантовых ям CdxZn\^xTe от концентрации компонент может быть представлена в виде:
Еа(х) = Еа\х=0 + (Еа|®=1 - Ес\х=о ~ с)х + сх2,
(2)
где Ей|х=о и Ео\х=1 ~ значения ширины запрещенной зоны соответственно для х = О и х = 1, а с - параметр изгиба. Методика определения этого параметра описана в [8], его величина для всех образцов составила с = 0.34. Необходимые для расчета значения физических величин и параметров были взяты из [7]. Эти значения, а также ширины
запрещенной зоны для ям и барьеров исследованных образцов при температуре 77 К, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Энергетические параметры образцов. Ео\т2яе и -£Ых=ое ~ ширина запрещенной зоны
ZnTe и С ¿Те при абсолютном нуле температур; Ес\гпТе и Ес\св.Те ~ ширина запрещенной зоны ЕпТе и С ¿Те при температуре 77 К; Ес\\у - ширина запрещенной зоны в квантовых ямах CdxZn\-xTe при температуре 77 К. Для соединений ЕпТе и СдТе величина параметра 5 составляет 2.29 х 10_3 и 1.68 х Ю-3; Ки> — 10.8 мэВ и
5.8 мэВ, соответственно [7].
Образец Еа\^е, эВ Ео)§&, эВ Ео\гпТе, эВ Еа\с<1Те, эВ Ес\ж, эВ
220 2.12
221 2.39 1.608 2.38 1.594 2.22
222 2.10
Как показывают результаты расчета, высокоэнергетическая и низкоэнергетическая границы П-образной полосы в спектрах фотоЭДС соответствуют рассчитанным для температуры 77 К значениям энергий зона-зонного перехода в образующих структуры материалах - ZnTe и Сдх2п\-хТе, соответственно. Это означает, что в области квантово-размерной структуры происходит поглощение фотонов не только с энергиями экситонного поглощения, но и с промежуточными энергиями между значениями зона-зонного перехода в барьере и яме.
На наш взгляд, это связано с тем, что из-за рассогласования между постоянными кристаллической решетки образующих квантово-размерную структуру соединений на гетерограницах и материалах барьера и ямы появляются встроенные механические напряжения. Это сопровождается появлением в материалах барьеров и ям сильных локальных электрических полей, поскольку кристаллы широкозонных полупроводников II—VI являются сильными пьезоэлектриками. Мы предполагаем, что характер измеренных спектров РУ данных многоямных квантовых структур на основе ZnTe|CdxZn\-xTe связан с наличием в их кристаллической решетке таких встроенных электрических полей, которые увеличивают вероятность непрямых переходов носителей заряда под действием света (эффект Франца-Келдыша).
Эта работа была поддержана РФФИ (проекты 00-02-16421, 00-02-16607), Министерством науки РФ как часть программы "Физика твердотельных наноструктур" (проект
99-1122) и как часть программы "Физика квантовых и волновых процессов", подпрограмма "Фундаментальная спектроскопия" (проект 01.08. 02.8-4).
ЛИТЕРАТУРА
[1] М а г i е t t е Н., D а Г b о F., М a g n е a N., et al. Phys. Rev., В 38, 12443 (1988).
[2] P e 1 у a P., M e г 1 e d'Aubigne Y., W a s i e 1 a A., et al. Phys. Rev., В 46, 1557 (1992).
[3] H s u T г a n Min Due C. and F a u г i e J. P. Phys. Rev. Lett., 58, 1127 (1987).
[4] Kim T. W., and P a r k H. L. J. Crystal Growth, 159, 467 (1996).
[5] К a t a n i A. D. and M a r g a r i t о n g о G. Phys. Rev., В 28, 1944 (1983).
[6] Kozlowsky V. I., Sadofyev Yu. G., and L i t v i n о v V. G. J. Crystal Growth 214/215, 983 (2000).
[7] EMIS Datareviews Series No. 17. Properties of Wide Bandgap II-VI Semiconductors. Ed. by R. Bhargava, INSPEC, London, UK, 1997.
[8] V a n V e с h t e n J. A. and В erg s t re s s ег Т. K. Phys. Rev., В 1, 3351 (1970).
Поступила в редакцию 26 декабря 2001 г.
