[PDF]    http://dx.doi.org/10.3952/physics.v54i4.3012

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 54, 233–243 (2014)


DYNAMICS OF FREE CARRIERS – NEUTRAL IMPURITY RELATED OPTICAL TRANSITIONS IN BE AND Si δ-DOPED GaAs/AlAs MULTIPLE QUANTUM WELLS: FRACTIONAL-DIMENSIONAL SPACE APPROACH
Jurgis Kundrotasa, Aurimas Čerškusa, Gintaras Valušisa, Edmund Linfieldb, Erik Johannessenc, and Agne Johannessenc
aSemiconductor Physics Institute of Center for Physical Sciences and Technology, A. Goštauto 11, LT-01108 Vilnius, Lithuania
bSchool of Electronic and Electrical Engineering, University of Leeds, Leeds LS2 9JT, United Kingdom
bVestfold University College, Raveien 197, 3184 Borre, Norway
 E-mail: a_cerskus@yahoo.com

Received 12 June 2014; revised 1 October 2014; accepted 10 December 2014

The dynamics of impurity-related optical transitions in 20 nm wide silicon and beryllium δ-doped GaAs/AlAs multiple quantum wells with various doping levels have been investigated at near liquid helium temperatures. The radiative lifetimes of the free electron-neutral acceptor and free hole-neutral donor have been identified. The capture cross-sections of the free electrons by neutral Be acceptors were experimentally determined to σe-Be = 4·10-10 cm, whereas this corresponded to σh-Si = 2.2·10-8 cm for the free holes by neutral Si donors. The experimentally determined cross-section ratio of σh-Si/σe-Be = 55 is close to the estimated 2D value of σh-D/σe-A = 64, and remains lower compared to the calculated value for the 3D case of σh-D/σe-A = 121.
Keywords: quantum well, photoluminescence, lifetime, capture cross-sections
PACS: 78.55.-m, 78.67.De, 78.47.jd

 KRŪVININKŲ OPTINIŲ ŠUOLIŲ Į NEUTRALIĄSIAS PRIEMAIŠAS DINAMIKA Be IR Si δ-LEGIRUOTOSE GaAs/AlAs KARTOTINĖSE KVANTINĖSE DUOBĖSE: TRUPMENINIO MATUMO ERDVĖS ARTĖJIMAS
Jurgis Kundrotasa, Aurimas Čerškusa, Gintaras Valušisa, Edmund Linfieldb, Erik Johannessenc, Agne Johannessenc
  aFizinių ir technologijos mokslų centro Puslaidininkių fizikos institutas, Vilnius, Lietuva
bLidso universitetas, Lidsas, Jungtinė Karalystė
cVestfoldo universitetinis koledžas, Borre, Norvegija

Kvantinių duobių elektrinės ir optinės savybės priklauso ne tik nuo jų matmenų, bet ir nuo legiruojančių priemaišų tipo ir tankio. Puslaidininkiuose sekliosios priemaišos turi apibrėžtas aktyvacijos energijas bei energinius lygmenų spektrus. Tuo tarpu kvantinėse duobėse priemaišų energinį spektrą galima keisti, keičiant kvantinės duobės plotį. Atsiranda galimybė gauti įvairias priemaišų aktyvacijos energijas, kurios yra svarbios kuriant terahercinio dažnio emiterius ar jutiklius.
Laisvųjų krūvininkų rekombinacinių vyksmų dinaminės savybės yra svarbios aprašant optines kvantinių duobių savybes. Vieni iš svarbiausiųjų parametrų yra laisvųjų krūvininkų pagavimo skerspjūviai neutraliomis priemaišomis. Iki šiol šie skerspjūviai donorinėms ir akceptorinėms priemaišoms kvantinėse duobėse nėra nustatyti.
Šiame darbe tirtos kartotinės kvantinės duobės buvo užaugintos molekulinių pluoštelių epitaksijos būdu ant izoliacinių GaAs padėklų. Kvantinės GaAs 20 nm pločio duobės buvo atskirtos 5 nm pločio AlAs barjerais. Į kiekvienos kvantinės duobės vidurį buvo įterptas silicio (Si) donorinių arba berilio (Be) akceptorinių priemaišų δ sluoksnis.
Dinaminiai vyksmai buvo tirti esant žemai kvantinių duobių gardelės temperatūrai T = 3,6 K. Fotoliuminescencijos žadinimui naudojome diodu kaupinamą Nd:LSB kietojo kūno pikosekundnį lazerį. Dinaminiai fotoliuminescencijos vyksmai buvo tiriami naudojant laike koreliuotų pavienių fotonų skaičiavimo metodiką (TCSPC). Teoriniam pagavimo skjerspjūvių nagrinėjimui panaudojome trupmeninio matumo erdvės modelį. Išmatuotos spinduliuotės gyvavimo trukmės rekombinuojant elektronams su neutraliaisiais akceptoriais yra τe-Be = 11 ns, kai NBe = 5·1010 cm-2. Bei rekombinuojant skylėms su neutraliaisiais donorais yra τh-Si = 6 ns, kai NSi = 4·109 cm-2. Iš eksperimentiškai išmatuotų gyvavimo trukmių nustatytas elektronų pagavimo skerspjūvis neutraliaisiais Be akceptoriais lygus σe-Be = 4·10-10 cm bei skylių pagavimo skerspjūvis neutraliaisiais Si donorais lygus σh-Si = 2,2·10-8 cm. Eksperimentiškai nustatytas pagavimo skerspjūvių santykis lygus σh-Si/σe-Be = 55, o apskaičiuotas dvimačiams dariniams lygus σh-D/σe-A = 64. Gautas geras sutapimas tarp eksperimentinių ir teorinių rezultatų.

References / Nuorodos

[1] Advances in Infrared Photodetectors, Semiconductors and Semimetals, Vol. 84, eds. S.D. Gunapala, D.R. Rhiger and C. Jagadish (Academic Press, San Diego, 2011),
http://www.amazon.co.uk/Advances-Infrared-Photodetectors-Semiconductors-Semimetals-ebook/dp/B005C9GB0W/
[2] B.F. Levine, Quantum-well infrared photodetectors, J. Appl. Phys. 74(8), R1-81 (1993),
http://dx.doi.org/10.1063/1.354252
[3] X.G. Guo, Z.Y. Tan, J.C. Cao, and H.C. Liu, Many-body effects on terahertz quantum well detectors, Appl. Phys. Lett. 94(20), 201101 (2009),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3134485
[4] D. Seliuta, J. Kavaliauskas, B. Čechavičius, S. Balakauskas, G. Valušis, B. Sherliker, M.P. Halsall, P. Harrison, M. Lachab, S.P. Khanna, and E.H. Linfield, Impurity bound-to-unbound terahertz sensors based on beryllium and silicon δ-doped GaAs/AlAs multiple quantum wells, Appl. Phys. Lett. 92(5), 053503 (2008),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2839585
[5] J. Kundrotas, A. Čerškus, S. Ašmontas, G. Valušis, B. Sherliker, M.P. Halsall, M.J. Steer, E. Johannessen, and P. Harrison, Excitonic and impurity-related optical transitions in Be δ-doped GaAs/AlAs multiple quantum wells: Fractional-dimensional space approach, Phys. Rev. B 72(23), 235322 (2005),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.72.235322
[6] J. Kundrotas, A. Čerškus, G. Valušis, A. Johannessen, E. Johannessen, P. Harrison, and E.H. Linfield, Impurity-related photoluminescence line shape asymmetry in GaAs/AlAs multiple quantum wells: Fractional-dimensional space approach, J. Appl. Phys. 107(9), 093109 (2010).
http://dx.doi.org/10.1063/1.3342673
[7] J. Feldmann, G. Peter, E.O. Göbel, P. Dawson, K. Moore, C. Foxon, and R.J. Elliott, Linewidth dependence of radiative exciton lifetimes in quantum wells, Phys. Rev. Lett. 59(20), 2337–2340 (1987),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.2337
[8] M. Gurioli, A. Vinattieri, M. Colocci, C. Deparis, J. Massies, G. Neu, A. Bosacchi, and S. Franchi, Temperature dependence of the radiative and nonradiative recombination time in GaAs/AlxGa1-xAs quantum-well structures, Phys. Rev. B 44(7), 3115–3124 (1991),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.44.3115
[9] J.P. Bergman, P.O. Holtz, B. Monemar, M. Sundaram, J.L. Merz, and A.C. Gossard, Decay measurements of free- and bound-exciton recombination in doped GaAs/AlxGa1-xAs quantum wells, Phys. Rev. B 43(6), 4765–4770 (1991),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.43.4765
[10] J. Martinez-Pastor, A. Vinattieri, L. Carraresi, M. Colocci, Ph. Roussignol, and G. Weimann, Temperature dependence of exciton lifetimes in GaAs/AlxGa1-xAs single quantum well, Phys. Rev. B 47(16), 10456–10460 (1993),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.47.10456
[11] PMS-300, PMS-400 and PMS-400A 800 MHz Gated Photon Counters / Multiscalers (Becker & Hickl GmbH, Berlin, 2004),
http://www.becker-hickl.com/pdf/pms400man01.pdf
[12] W. Becker, The bh TCSPC Handbook: Fourth Edition (Becker & Hickl GmbH, Berlin, 2010),
http://www.becker-hickl.com/handbookphp.htm
[13] J. Kundrotas, A. Čerškus, G. Valušis, L.H. Li, E.H. Linfield, A. Johannessen, and E. Johannessen, Light emission lifetimes in p-type δ-doped GaAs/AlAs multiple quantum wells near the Mott transition, J. Appl. Phys. 112(4), 043105 (2012),
http://dx.doi.org/10.1063/1.4745893
[14] K. Muraki, Y. Takahashi, A. Fujiwara, S. Fukatsu, and Y. Shiraki, Enhancement of free-to-bound transitions due to resonant electron capture in Be-doped AlGaAs/GaAs quantum wells, Solid State Electron. 37(4–6), 1247–1250 (1994),
http://dx.doi.org/10.1016/0038-1101(94)90400-6
[15] A. Fujiwara, K. Muraki, S. Fukatsu, Y. Shiraki, and R. Ito, Enhancement of nonradiative recombination due to resonant electron capture in AlxGa1-xAs/GaAs quantum-well structures, Phys. Rev. B 51(20), 14324–14329 (1995),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.51.14324
[16] G.E. Stillman, C.M. Wolfe, and J.O. Dimmock, Magnetospectroscopy of shallow donors in GaAs, Solid State Commun. 7, 921–925 (1969),
http://dx.doi.org/10.1016/0038-1098(69)90543-2
[17] J. Kundrotas, G. Valušis, A. Čėsna, A. Kundrotaitė, A. Dargys, A. Sužiedėlis, J. Gradauskas, S. Ašmontas, and K. Köhler, Excitonic photoluminescence quenching by impact ionization of excitons and donors in GaAs/Al0.35Ga0.65As quantum wells with an in-plane electric field, Phys. Rev. B 62(23), 15871–15878 (2000),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.62.15871
[18] J.M. Ballingall, B.J. Morris, D.J. Leopold, and D.L. Rode, Silicon autocompensation in GaAs grown by molecular-beam epitaxy, J. Appl. Phys. 59, 3571–3573 (1986),
http://dx.doi.org/10.1063/1.336780
[19] S.S. Bose, B. Lee, M.H. Kim, G.E. Stillman, and W.I. Wang, Influence of the substrate orientation on Si incorporation in molecular‐beam epitaxial GaAs, J. Appl. Phys. 63(3), 743–748 (1988),
http://dx.doi.org/10.1063/1.340066
[20] K. Hess, D. Bimberg, N.O. Lipari, J.U. Fischbach, and M. Altarelli, Band parameter determination of III–V compounds from high-field magnetoreflectance of excitons, in: Proceedings of The 13th International Conference on The Physics of Semiconductors, Rome (Tipografia Marves, Rome, 1976) pp. 142–145
[21] F.H. Stillinger, Axiomatic basis for spaces with noninteger dimension, J. Math. Phys. 18(6), 1224–1234 (1977),
http://dx.doi.org/10.1063/1.523395
[22] J. Kundrotas, A. Čerškus, S. Ašmontas, G. Valušis, M.P. Halsall, E. Johannessen, and P. Harrison, Impurity-induced Huang–Rhys factor in beryllium δ-doped GaAs/AlAs multiple quantum wells: fractional-dimensional space approach, Semicond. Sci. Technol. 22(9), 1–7 (2007),
http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/22/9/016
[23] X.F. Xe, Anisotropy and isotropy: A model of fraction-dimensional space, Solid State Commun. 75(2), 111–114 (1990),
http://dx.doi.org/10.1016/0038-1098(90)90352-C
[24] X.F. Xe, Fractional dimensionality and fractional derivative spectra of interband optical transitions, Phys. Rev. B 42(18), 11751–11756 (1990),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.42.11751
[25] X.F. Xe, Excitons in anisotropic solids: The model of fractional-dimensional space, Phys. Rev. B 43(3), 2063–2069 (1991),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.43.2063
[26] W.P. Dumke, Optical transitions involving impurities in semiconductors, Phys. Rev. 132(5), 1998–2002 (1963),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.132.1998
[27] H.B. Beeb and E.W. Williams, Photoluminescence I: Theory, in: Semiconductors and Semimetals, Vol. 8, eds. R.K. Willardson and A.C. Beer (Academic Press, New York, 1972) pp. 181–320,
http://www.amazon.co.uk/Semiconductors-Semimetals-Transport-Optical-Phenomena/dp/0127521089/
[28] D.M. Eagles, Optical absorption and recombination radiation in semiconductors due to transitions between hydrogen-like acceptor impurity levels and the conduction band, J. Phys. Chem. Solids 16(16), 76–83 (1960),
http://dx.doi.org/10.1016/0022-3697(60)90075-5
[29] C. Klingshirn, Semiconductor Optics, 2nd ed. (Springer, Berlin, 2005),
http://dx.doi.org/10.1007/b138175
[30] P.K. Basu, Theory of Optical Processes in Semiconductors: Bulk and Microstructures (Clarendon Press, Oxford, 1997),
http://www.amazon.co.uk/Theory-Optical-Processes-Semiconductors-Microstructures/dp/0198526202/
[31] J.H. Davies, The Physics of Low-Dimensional Semiconductors: An Introduction (Cambridge University Press, New York, 1997),
http://dx.doi.org/10.1017/CBO9780511819070
[32] G. Bastard, Wave Mechanics Applied to Semiconductor Heterostructures (Les Edition de Physique, Les Ulis Cedex, 1990),
http://www.amazon.co.uk/Mechanics-Semiconductor-Heterostructures-Monographs-Editions/dp/0470217081/
[33] J. Singh, Electronic and Optoelectronic Properties of Semiconductor Structures (Cambridge University Press, New York, 2003),
http://dx.doi.org/10.1017/CBO9780511805745
[34] D. Bimberg, H. Münzel, A. Steckenborn, and J. Christen, Kinetics of relaxation and recombination of nonequilibrium carriers in GaAs: Carrier capture by impurities, Phys. Rev. B 31(12), 7788–7799 (1985),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.31.7788