Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
К важнейшим физическим явлениям, на основании которых можно судить о наличии процессов Оже, относятся следующие:
1. Уменьшение времени жизни неосновных носителей с ростом концентрации основных носителей. В монокристаллах германия п- и р-типа это явление впервые наблюдалось в работах [322, 323]. В кристаллах обоих типов, легированных фосфором, сурьмой и
бором, при увеличении концентрации основных носителей время жизни сначала достигает некоторого постоянного значения (50—60 мксек), а затем, начиная с концентрации ~ 1 • 1017 смг3 и выше, резко уменьшается и при концентрации ~1018 смгъ равно 1 мксек. Авторы предполагают возможность рекомбинации Оже, сопровождающейся захватом носителей на ловушки.
Из сравнения теории с экспериментом в [324] сделан вывод, что в германии p-типа, по-видимому, происходит обычная межзонная рекомбинация Оже (рис. 48). Коэффициент рекомбинации равен 10-31 смв. сек~*. Для кремния установлено:
цп = 1,7 • 10~31 смв-сек~1, qp = 1,2-10-
31
сме
¦сек [326].
Рис. 48. Зависимость времени жизни электронов- от концентрации основных носителей в германии р-типа. Светлые кружки — экспериментальные результаты [325], квадраты — экспериментальные результаты [324]. Сплошная и пунктирная кривые получены в предположении, что происходит рекомбинация Оже зона — зона и зона — примесь соответственно
189
Концентрационное уменьшение времени жизни носителей происходит не только при высоком уровне легирования, но и при высоких уровнях возбуждения. В кремнии этот эффект наблюдается при скорости возбуждения 7?В>Ю27 см~3-сек~1
2. Уменьшение времени жизни носителей с ростом температуры. В случае бесфононной рекомбинации время жизни как функция температуры уменьшается экспоненциально. При рекомбинации с участием фононов зависимость т от температуры значительно слабее [328]. Рекомбинация Оже в чистом теллуре преобладает при Г>350°К [329]. В бездефектных образцах 1пР ударную рекомбинацию необходимо учитывать при всех температурах, выше комнатной [330]. Если в кристалле появляются дефекты и примеси, то возникают новые каналы рекомбинации, концентрация свободных носителей уменьшается, что неизбежно приводит к снижению скорости рекомбинации Оже.
3. Концентрационное тушение люминесценции. Квантовый выход люминесценции определяется отношением скоростей излучательных и безызлучательных переходов (§ 7). Поэтому, как только начинается рекомбинация Оже, люминесценция тушится. В фосфиде галлия при температуре меньше 40 °К интенсивность фотолюминесценции резко падает, если концентрация доноров или акцепторов приближается к ~ 1018 см~3 [331].
4. Температурное тушение люминесценции. С повышением температуры кинетическая энергия свободных носителей и вероятность ударной рекомбинации возрастает. Это также сопровождается уменьшением квантового выхода люминесценции. Этот эффект наблюдался, например, в сильнолегированных образцах фосфида галлия р-типа [332].
5. Испускание горячей люминесценции. В результате ударной рекомбинации высоко в зоне проводимости появляются электроны, а в глубине валентной зоны — дырки. Основная часть таких горячих носителей быстро термализуется, электроны опускаются на дно зоны проводимости, а дырки поднимаются к потолку валентной зоны. Однако существует конечная вероятность непосредственной рекомбинации горячих носителей с термализованными носителями противоположного знака: горячий электрон совершает переход на состояние вблизи потолка валентной зоны, а электроны у дна зоны проводимости рекомбинируют с горячими дырками. Излучение, возникающее при таких переходах, относится к горячей люминесценции (§ 7). Излучение,с энергией квантов h(o^2Eg обнаружено в германии [333]. Оно возникает в результате рекомбинации электронов с дырками, заброшенными в отщепленную подзону валентной зоны.
190
6. Эмиссия электронов из кристалла. Горячие электроны, возникшие в результате рекомбинации Оже, могут преодолеть работу выхода и покинуть кристалл. Это явление наблюдалось в арсениде галлия [334]. Исследование распределения эмитированных электронов по скоростям позволяет получить важную информацию о механизме ударной рекомбинации.
Кроме показанных на рис. 45 механизмов рекомбинации Оже возможна аннигиляция свободных и связанных экситонов с передачей энергии свободному носителю. Сечение такой рекомбинации рассчитано, в частности, в работе [335].
В связи с широким применением сильнолегированных полупроводников и интенсивных источников возбуждения интерес к процессам ударной ионизации и рекомбинации в последние годы значительно возрос. Они исследуются как в однородных полупроводниках, так и в сложных структурах, например гетеропереходах [336]. Проводится более детальное сравнение результатов теории и эксперимента [337—340]. Большое число оригинальных теоретических и экспериментальных работ по рекомбинации Оже проанализировано в обзорах [341,342].
При определенных условиях процессы Оже оказывают решающее влияние на явления нелинейной оптики. Этот вопрос будет рассмотрен в § 14.
Поверхностная рекомбинация. Зонная теория, разработанная для бесконечно протяженных кристаллов, строго говоря, к поверхностному слою неприменима. На границе кристалла периодическая кристаллическая решетка терпит разрыв. Еще в 1932 г. с помощью одномерной модели Кронига и Пенни (§ 2) И. Е. Тамм показал, что на границе кристалла в запрещенной зоне появляются разрешенные уровни энергии, названные впоследствии его именем. К аналогичному выводу пришел В. Шокли исходя из других соображений.
