Domieszki w półprzewodnikach

Domieszki w półprzewodnikach

Niebieska optoelektronika

Niebieski laser

Elektryczne pobudzanie struktury laserowej Unipress 106 unipress 8 Moc op ptyczna ( mw ) 6 4 2 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Natężenie prądu ( A ) Akcja laserowa

Domieszkowanie m* O

Neutralny donor w przybliżeniu masy efektywnej h 2 m 2 * 2 e 4πε ε r 0 s Φ n ( r) = E Φ n ( r) E n = R * ; 2 n n = 1,2,... ; R * = 13.6eV m * ε 2 s Problem bardzo zbliżony do rozważań ekscytonowych! J. Luttinger and W. Kohn, Physical Review 97,869 (1955)

Atom wodoru E n = m e = R 2 n 4 0 1 1 ( ) 2 2 2 2 4πε h n 0 R = 13,6 ev 3s, 3p, 3d n = 3 2s, 2p n = 2 1s n = 1

Widmo atomu wodoru

Donor m 0 m = m * m 0 (dla GaN m * = 0.22) ε 0 ε =ε*ε 0 (dla GaN ε* =9,6) * * m * 2 R = R (ε ) 3s, 3p, 3d n = 3 2s, 2p n = 2 R* = 30 mev 1s n = 1

Stany domieszkowe E pasmo przewodnictwa E D E A pasmo walencyjne

Energia wiązania donora 8 7 E D Ln(R) 6 5 4 WARSAW UNIVERSITY FACULTY OF PHYSICS Physics Laboratory I Exercise 108 3 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 1/T (1/K) R=R exp(e D /k B T)

Neutralny donor E m* O 2p 1s

Hˆ Wodór w polu magnetycznym 1 = ˆ A 2m * * a = 4πh 2 e ( p + e ) ε 2 0 2 m * ε 2 Ry * 2 e 4πε ε Charakterystyczne jednostki długości i energii: Hˆ 2 r 2 = i = 0 2h γ + ϕ s 2 1 r * 4 m e 0ε s (4 πε ε ) We współrzędnych biegunowych ( ρ, ϕ, z) Rachunek wariacyjny Ψ = C ψ j j j ψ i m iϕm 1 γ 4 q 2 Funkcje bazowe = ρ e z e 2 ρ 2 α ρ i e 2 β z i r r r A = 1 2( B ) (Cechowanie cylindryczne) 2 * E 0 = 2Ry γ = 1/ 2h Ry ω c * 2 2 r + z = ρ Symetria Hamiltonianu: = E 2 mγ m m P.C. Makado and N. C. McGill, J. Phys. C 19, 873 (1986) E

Wodór w polu magnetycznym P. C. Macado and N. C. McGill, J. Phys. C: Solid State Physics 19, 873 (1986) W. Rösner, G. Wunner, H. Herold and H. Ruder, J. Phys. B: At. Mol. Phys. 17, 29 (1984) A. V. Turbiner, J. Phys. A: Math. Gen. 17, 858 (1984) Y. P. Kravchenko, M.A. Liberman, B. Johanson, PRB 54, 287 (1996)

3 2 γ = ( hω / 2R) = B 0 c = 2.35 10 5 T B / B 0 N=1 3d +1 Energy (R) 1 0 N=0 2p +1 2s 2p 0 2p -1 1s -1 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 γ Y. P. Kravchenko, M.A. Liberman, B. Johanson, PRB 54, 287 (1996)

Transmisja w dalekiej podczerwieni D 0 E 2p+ E = E 2 mγ m m 2p hω c 2p0 2p- E B m E = 2 mγ = m mhω c 1s 1s Jeśli heb m = 1 E p E2 p = * 2 + 1 1 m Informacja o masie efektywnej!

Płytki donor w GaN Far-Infrared Magnetospectroscopy of Shallow Donors in GaN A.M. Witowski et al., phys. stat. sol. (b) 210, 385 (1998)

ħω= ħ eb/m* m*=0.222(2) m 0 A. M. Witowski, K. Pakuła, J. M. Baranowski, M. L. Sadowski and P. Wyder, APL 75, 4154 (1999)

Zobaczyć funkcję falową donora np. przy użyciu mikroskopu tunelowego

Sprawdzenie mikroskopu tunelowego na graficie HOPG HOPG (Highly Oriented Pyrolitic Graphite)

Igły muszą być ostre

Rekombinacja ekscytonow związanych jako narzędzie badań domieszek...

Przegląd kompleksów ekscytonowych Ekscyton zwiazany E g na neutralnym donorze D 0 X na neutralnym akceptorze A 0 X na zjonizowanym donorze D + X na zjonizowanym akceptorze A - X X D 0 X A 0 X E x E loc Jak zidentyfikować poszczególne linie ekscytonowe? Nie jest to łatwe! Pomaga pole magnetyczne 0

Luminescencja ekscytonowa w GaN Intensity (arb. units) GaN/GaN freestanding GaN (Samsung) GaN/Al 2 O 3 T=4.2K D 0 X A 3.470 3.472 3.474 3.476 3.478 3.480 Energy (ev) A. Wysmolek et al. PRB 74, 195205 (2006)

Donor tlenowy donor krzemowy GaN T = 4.2 K D 0 X A (arb. units) PL intensity D 0 X A - L0 TES - LO D 0 X A - E 2 Si O TES (O) GaN:Si D 0 X A -A 1 (TO) TES (Si) GaN (FS) X A X A D 0 X B X B X B D 0 X n=2 A X n=2 A 3.34 3.36 3.38 3.40 3.42 3.44 3.46 3.48 3.50 3.52 Energy (ev)

Ekscyton związany na neutralnym donorze (D 0 X) X

Ekscyton związany na neutralnym akceptorze

Rozszczepienia spinowe konfiguracja B c intensity (arb. units) PL GaN T = 4.2 K B = 0 T D 0 X 2 A D 0 X 1 A D 0 3X A Energy (ev) 3.476 3.475 3.474 3.473 3.472 3.471 3.470 GaN (FS) B c T = 4.2 K D 3 X D 2 X D 1 X 3.468 3.469 3.470 3.471 3.472 3.473 3.474 3.475 Energy (ev) 3.469 0 5 10 15 20 25 30 Magnetic Field (T) D 10 X A O N D 20 X A Si Ga D 30 X A?(V N ) Wysmolek et al. PRB 66, 245317 (2002) D 10 X A D + X D 20 X A O N D 30 X A Si Ga A. Freitas, Jr., PRB 66,, 233311 (2002).

σ + σ - D 0 X A n=1 Konfiguracja B II c B = 14 T Intens sity (arb. units) GaN/GaN B c T = 4.2 K B = 0T Zachowanie typowe dla D 0 X! 3.469 3.470 3.471 3.472 3.473 3.474 Energy (ev)

Rozróżniamy donory o różnych energiach wiązania T = 4.2 K D 0 X A Intensity (arb b. units) TES 2s(O) 2p(O) 2p(Si) 2s(Si) 2p(Si) 2s(Si) GaN:Si A 0 X A FS GaN D 0 2 X A D 0 3 X A D 0 X B X A 3.44 3.45 3.46 3.47 3.48 Energy (ev)

Różne kanały rekombinacji D 0 X D 0 X (D 0 X) * D 0 X przejścia główne TES(2p) D 0 (2p) TES(2s) D* TES (EDS) replika fononowa D 0 X D 0 (1s)+LO D 0 (2s) E 1s-D * E LO E 1s-2s D 0 (1s) B=0 B 0 D 0 (1s) D 0 (2s) D 0 (1s) + LO

Identyfikujemy przejścia używając pola magnetycznego GaN:Si/Al 2 O 3 B c T = 4.2 K 2s 2p 0 2p -1 FS GaN 2s(O) T = 4.2K B c 2p +1 (Si) 2p 0 (O) 2p -1 (O) 2p' 0 (O) 2p' 0 (Si) B = 28T 2p +1 (arb. units) Intensity 3d +1 3d 0 0 Intensity (a arb. units) 3d 0 2p +1 (O) 2s 2p 3d 3.445 3.450 3.455 3.460 3.465 3.470 Energy (ev) 3d +1 3d(O) 2s(O) 2s(Si) 2p(O) 2p(Si) 3.435 3.440 3.445 3.450 Energy (ev) B = 0T

Donor krzemowy Transition Energy (mev) 35 30 25 20 Silicon GaN/Al 2 O 3 GaN (FS) 3d 0 3d +1 B c 2p +1 2s 2p 0 2p -1 R y =30.28(5) mev 1s = 0 E b =30.28meV m*=0.214m 0 0 5 10 15 20 25 30 Magnetic Field (T) A. Wysmolek et al. PRB 74, 195205 (2006)

Rekombinacja par donor-akceptor (jeden z podstawowych kanałów rekombinacji promienistej półprzewodnikach domieszkowanych)

Pary donor-akceptor D 0 A 0 + - E lum E E D c.b. D + A - + - e-a R E A E lum = E g - E A - E D + e 2 /(ε R) v.b.

Emisja par donor-akceptor GaN:Mg LO + R n - dyskretne odległości D-A PL intensity (arb.units) 8,0 K 15 K 25 K 32 K 39 K 46 K 53 K 66 K dyskretne linie emisyjne 3,32 3,34 3,36 3,38 3,40 3,42 Energy (ev)

Emisja par donor-akceptor w GaN 3.40 GaN: Mg Energ gy (ev) 3.35 3.30 3.25 3.20 0.00 0.05 0.10 0.15 1/R n (Å -1 ) E lum = E g - E A - E D + e 2 /(4π ε 0 ε s R n ) E D, E A, ε s

Historyczne widma par w GaP D. G. Thomas et al. Phys. Rev. 133, A269 (1964)

Luminescencja par donor-akceptor w GaAs Szerokie linie luminescencyjne! Czy z tego można cos wydobyć? n-gaas Ε ex =1.542 ev DAP e-a 14 T Intensity (a arb. units) 12 T 10 T 8 T 6 T 4 T 2 T 0 T 1.480 1.485 1.490 1.495 1.500 1.505 Energy (ev)

Selektywne pobudzanie użyteczna technika rezonansowa (SPL) 1.500 ev 1.498 ev 1s-2s/2p n-gaas T = 4.2 K B = 0 T 2s D 1s D Intensity (a arb. units) 1.497 ev 1.496 ev 1.494 ev 1.492 ev 1s A E exc - E lum = E D 1/R 1.489 ev 1.487 ev 1.484 ev 1.477 ev 0 5 10 15 Energy shift (mev)

Selektywna spektroskopia par donor-akceptor E lum = E g - E A - E D + e 2 /(4π ε 0 ε s R n ) Donor 2s D E D 1s D R 1 > R 2 c.b. E D 2s D 1s D c.b. E exc E lum E exc E lum 1s A 1s A Akceptor v.b. v.b.

SPL w polu magnetycznym 1.502 ev n-gaas T = 4.2 K B = 14 T 1s-5g-4 1s-4f- 1s-2s 1s-3d-1-2 1s-4f-3 1s-2p0 1s-3d-2 1s-2p-1 0 T 1s-2s/2p n-gaas T= 4.2 K exc. @ 1.496 ev 1.499 ev 1.498 ev 1.496 ev Intensity (arb. units) Intensity (arb. units) 14 T 1s-2p +1 1s-2p -1 1s-3d -2 1s-2p 0 1.489 ev 0 5 10 15 Energy shift (mev) 4 5 6 7 8 9 10 11 Energy shift (mev)

Donor w GaAs 15 GaAs 4.2 K 1s-2p +1 shift (mev) Energy 10 5 1s-2s 1s-3d -1 1s-2p 0 1s-5g -4 (?) 1s-4f -3 1s-3d -2 1s-2p -1 Teoria: P. C. Makado and N. C. Mc. Gill, J. Phys. C 19, 873 (1986) 0 0 5 10 15 Magnetic field (T)

B=230 T, γ=0.01 C. Moran, T. R. Marsh, and V. S. Dhillon (1998)