CC BY
12
УДК 621.315.592.3
РЕДКОЗЕМЕЛЬНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК СаАэ И А^а^Ав, ВЫРАЩЕННЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ УЬ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
В. М. Коннов, Н. Н. Лойко, А. М. Гилинский1, К. С. Журавлев1, И. П. Казаков, О. М. Бородина2, М. Ю. Часовских
Получены слои СаАз и АЮаАв, легированные УЬ в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведены исследования фотолюминесценции таких слоев. Показано, что необходимым условием активации специфической люминесценции, связанной с ионами УЬ3+, является дополнительное легирование (методом ионной имплантации) кислородом. Таким образом, процессы формирования люми-несцгнтных комплексов на основе иона УЬ3+ в слоях, выращенных и легированных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, в основном те же, что и в объемном материале, легированном УЬ методом ионной имплантации.
В цикле работ [1-4], посвященных исследованию фотолюминесценции (ФЛ) кристаллов СаЛй, имплантированных УЬ, были сделаны следующие заключения.
1. Для получения резкоземельного (РЗ) излучения кристаллов СаАэ:УЬ необходима дополнительная имплантация этих образцов кислородом.
2. Весь спектр излучения ионов УЬ3+ в кристаллах СаАв (или большая часть линий РЗ спектра) является результатом взаимодействия ионов УЬ с фоновыми примесями, изначально присутствующими в исходных образцах.
Институт физики полупроводников СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия.
Государственный научный центр Российской Федерации институт ГИРЕДМЕТ, 109017 Москва.
Россия.
Систематическое сопоставление результатов ФЛ анализа с результатами, полученными методом SIMS, позволило выявить корреляции между появлением в РЗ спектра:-ФЛ определенных спектральных линий и присутствием в образцах вполне конкретны х примесей. На примере металлоидов VI группы Периодической системы элементов бы ло показано, что роль этих примесей в оптической активации РЗ излучения далеко не одинакова. Следует различать две основные группы соактиваторов. Первую групп;* образуют примеси серы, селена и теллура, вторую группу - примесь кислорода. Coa;, тиваторы первой группы отвечают за образование иона иттербия, обладающего зарядовым состоянием "3 + ", и несут ответственность за формирование тонкой структур РЗ излучения. Вторая группа соактиваторов - это примеси, обладающие усилите ль ным воздействием на интенсивность линий РЗ спектра. Для системы GaAs.Yb к таким соактиваторам относится примесь кислорода.
В работе [5] было показано, что для кристаллов Si:Er большинство элементов вто рой строки Периодической системы элементов (с Li по F) усиливают интенсивность излучения ионов Ег3+. Путем проведения комбинированных имплантаций Yb и ряда других примесей, а именно - начиная с Li по F включительно - мы установили, что для кристаллов GaAs.Yb к соактиваторам усилительного типа можно уверенно отн< сти только атомы кислорода. Необходимо также отметить, что тонкая структура РЗ излучения кристаллов GaAs, имплантированных совместно иттербием и кислородо: (Yb+О), не зависела от концентрации имплантированного кислорода.
В ходе работ по исследованию спектров излучения кристаллов GaAs, имплантиро ванных, помимо Yb и кислорода, рядом других примесей, был накоплен как необход и мый опыт работы с этими кристаллами, так и апробированы технологические метол.;.i решения поставленных задач. Например, переход к имплантациям примесей распре деленными дозами и отработка режимов проведения постимплантационных от ж : : позволили выявить концентрационные зависимости.
До сих пор мы имели дело с образцами GaAs.Yb, в которые РЗ элемент вводил ся путем имплантации. Данная работа посвящена проверке наших предположений на том же объекте исследований, но полученном другим технологическим методом. Помп мо этого, данная работа является продолжением наших исследований полупроводниковых кристаллов группы III-V, легированных редкоземельными элементами [3, 4, б Выбор тройного соединения AlxGai_xAs в качестве объекта исследования обуслов. м развитием наноэлектроники, где наиболее продвинутыми в настоящее время оказали' квантовые структуры на основе GaAs/AlxGa\-xAs.
Выращивание полупроводниковых слоев производилось на установке молекулярно-лучевой эпитаксии "Цна-25". Для получения слоев, легированных УЬ в процссе молекулярно-лучевой эпитаксии в эффузионную ячейку был загружен предварительно очищенный металлический иттербий.
Основные трудности, возникающие при получении полупроводниковых кристаллов III—V, легированных РЗ, связаны с высокой химической активностью РЗ элементов, а также их низкой равновесной растворимостью 1016 см~3) в полупроводниковых матрицах, что обусловлено большими геометрическими размерами РЗ атомов. В процессе приготовления образцов удалось согласовать режимы роста слоев GaAs с режимами легирования тех же самых слоев иттербием. Было установлено, что оптимальную концентрацию УЬ в пленках GaAs можно оценить примерно на уровне 1018 см~3. При этом значении концентрации удавалось получить достаточно однородно легированные УЬ слои GaAs при высоком качестве самой кристаллической матрицы.
Отметим, что для систем Si'.Er и GaAs.Er значения оптимальной концентрации РЗ элементов также оценивались на уровне ~ 1018 см~3 [9, 10]. При попытках повысить концентрацию РЗ элемента резко ухудшалось качество кристаллической матрицы, а атомы Ег образовывали либо преципитаты микронных размеров, либо скопления на поверхности растущей полупроводниковой пленки.
После окончательной отработки технологических режимов выращивания слоев GaAs и легирования этих слоев УЬ в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии были получены различные полупроводниковые структуры, содержащие слои GaAs, легированные УЬ, толщиной от ~ 5 нм до нескольких сотен нанометров. На рис. 1 показано распределение УЬ по глубине полупроводниковой структуры, измеренное методом SIMS. Эта структура представляла собой слои GaAs, легированные У6, разделенные нелегированными слоями GaAs. Данная структура была выращена для сопоставления и оценки величин концентраций УЬ, рассчитанных из технологических условий роста и легирования, с реальными значениями концентраций УЬ в выращенных слоях. Как видно из рис. 1, измерения SIMS подтвердили наличие УЬ с концентрацией ~ 1018 см~3 в верхнем слое структуры толщиной ~ 300 нм.
Полупроводниковые пленки твердого раствора AlxGa\-xAs выращивались на подложках из монокристаллического арсенида галлия с наращенным на них буферным слоем GaAs. По данным масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS) толщина слоя тройного полупроводника составляла ~ 0.8 мкм, а концентрация А1 в слое была постоянна и оценивалась на уровне х = 0.28 — 0.30.
Рис. 1. Профиль распределения Yb по глубине полупроводниковой структуры GaA.*.
Рис. 2. Спектры стационарной ФЛ образцов GaAs, легированных Yb до концентра ц и i 1018с.м_3 в процессе МВЕ с различными концентрациями имплантированного кислорода 1 - неимплантированный GaAs; 2 - 1018 см~3; 3 3 • 1018 см'3; 4 - 6 • 1018 см'3; 5 1019 см' . После имплантации образцы прошли ФСО длительностью 5 мин при Т = 700"С.
Введение иттербия в слой AlGaAs осуществлялось двумя способами. Первый сп< соб - это легирование объема полупроводникового слоя Al0,3Ga07As редкоземельным элементом в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. По данным SIMS, концентрация Yb в слое была ПОСТОЯННА ПО ХОЛЩИНС СЛОЯ И pciBHcl 4-101' см . Второй способ имплантация ионов иттербия в пленку Alo,zGaQ^As, выращенную методом молекул*рн лучевой эпитаксии. Облучение образцов ионами Yb проводилось распределенными д. ■ ми так, чтобы получить близкий к плоскому профиль распределения имплантирован . , ионов. Толщина легированного слоя по данным SIMS составляла 150 - 170 нм с кон ь
трацией Yb в пределах от 1017 см~г до 1019 см~3. После имплантации для уменьшения концентрации радиационных дефектов образцы подвергались фотостимулированному отжигу (ФСО). Длительность отжига составляла 5 мин, а температура отжига была фиксирована в интервале 740 — 780°С. Контрольные измерения профилей распределения Yb по глубине образца показали, что после имплантаций и ФСО профили оставались плоскими и были близки к расчетным.
Измерения спектров фотолюминесценции проводились на двух установках. На первой установке, предназначенной для исследования стационарной ФЛ, источником возбуждения служило излучение ксеноновой лампы сверхвысокого давления типа ДКСШ-1000. Система оптических фильтров вырезала из спектра излучения этой лампы спектральную область от 4000 А до 6000 А. Свет этого спектрального состава собирался на образце в пятно диаметром ~ 3 мм. Мощность возбуждения при этом составляла ~ 1 Вт. Регистрация сигнала велась методом синхронного детектирования. Температура образца во время измерений равнялась 77 К. Спектры, полученные на этой установке, приведены на рисунках 2 и 3.
Вторая установка предназначена для исследований кинетики затухания и эволюции спектров нестационарной ФЛ со временем. Источником возбуждения ФЛ служила вторая гармоника импульсного лазера на иттриево-алюминиевом гранате, легированном неодимом (длина волны 5320 А). Длительность импульса накачки составляла 150 не при средней мощности на образце ~ 5 мВт (пиковая 5-10 Вт) в пятне диаметром 3 мм,. Диапазон времен задержек охватывал интервал от нуля до 80 мкс. Температура образца во время измерения была равна 4.2 К. Использованный диапазон сканирова-
о о
ния по спектру - от 9800 А до 10200 А. Результаты, полученные на этой установке, помещены на рис. 4.
Получение РЗ излучения. GaAs:Yb. Измерения спектров люминесценции на выращенных пленках GaAs.Yb не дали положительного результата - никакого характеристического РЗ излучения зарегистрировано не было ни сразу после окончания ростового процесса, ни после серии отжигов, проведенных в интервале температур 600 - 800°С, хотя данные рентгеноспектрального анализа в спектроскопии вторичных ионов подтверждали наличие Yb в слоях GaAs в значительных количествах.
Для получения РЗ излучения образцы GaAs и AlGaAs, легированные Yb, были облучены ионами кислорода. Имплантация кислородом проводилась распределенными дозами таким образом, чтобы получить в верхнем слое образца (~ 300 нм) плоский профиль концентрации кислорода в пределах (1018 — 2 • 1019) см~3. После имплантации образцы
были отожжены при температуре ~ 700°С в течение 5 мин.
Спектры ФЛ образцов СаАв с различными концентрациями имплантированного к и слорода приведены на рис. 2. Видно, что с ростом концентрации введенного кислорода растут интенсивности практически всех линий РЗ спектра. При этом положение линий в РЗ спектрах меняется слабо. На качественном уровне эти РЗ спектры весьма схожи теми, которые были получены на кристаллах СаАз, имплантированных совместно и г-тербием и кислородом. Имеется один и тот же набор доминирующих РЗ линий, которым был ранее увязан с присутствием в образцах примесей 5г (линии вблизи 990 нм) и ч< (линии в районе 1006 нм) [1, 3, 4].
АЮаАз-УЬ. Характеристическое РЗ излучение ионов УЬ3+ было зарегистрировано только после того, как образцы АЮаАв были дополнительно облучены ионами кислоро да. Спектры этого излучения приведены на рис. 3 и 4. Таким образом, как и для системы атомы или ионы кислорода оказались необходимыми для получения РЗ излучения. Тем самым было подтверждено, что кислород входит в состав люминесцентного РЗ центра, образованного на основе иона УЬ3+.
Типичные спектры излучения системы А10^Са0,7Аз-.{УЬ + О) при 77 А', снятые в режиме стационарного возбуждения, приведены на рис. 3. Для сравнения показаны спек тры излучения ионов УЬ3+ в системах СаАз:(УЬ+0) (спектр 1.1) и 0аР:(УЬ+0) (спектр 1.4), полученных имплантацией УЬ и О в эпитаксиальную пленку СаАя и пластин} Со.Р, соответственно. Для большинства исследованных нами кристаллов СаАз:(УЬ+0) характерно присутствие в спектрах РЗ излучения групп линий, обозначенных нами как X, У и 2. При этом в спектрах обычно доминировали линии излучения либо Х-центров в области 988 - 992 нм, либо К-центров в области 1004 - 1008 нм. Интенсивность излучения ^-центров в области 993 - 998 нм существенно уступала интенсивностям как Х-центров, так и У-центров [3]. В отличие от этого в А10.3Са0.7Аз:(УЬ+О) наиболее ми тенсивное излучение ионов УЬ3+ наблюдалось в области 992 - 998 нм даже при сравн: тельно низких концентрациях УЬ (несколько единиц 1017 см~3). С ростом концентрации иттербия и кислорода относительная интенсивность этой полосы по сравнению с остальной частью спектра еще более возрастала. Максимальная интенсивность РЗ излучения была получена на образцах, имплантированных совместно иттербием и кислородом до концентраций ~ 1019 см'3 и прошедших ФСО при температуре 780°С. Интенсивность РЗ излучения этих образцов была примерно на порядок выше, чем у образца, спек ¡ ;> которого приведен на рис. 3.3. При этом все больше проявлялась тенденция перехода от линейчатого спектра к полосовому, подобно тому, что наблюдалась в СаР [7]. Отме ! и:.
20
10
0
? 16 * 14
® 12 § 10
л
§ 30 я
1 20 §
| 10
О 8 6 4
2
980 990 1000 1010
X, нм
Рис. 3. Спектры стационарной ФЛ образцов: 1 - GaAs(Yb + О), ФСО при 740°С; 2 AlQ 3Ga0 7As(Yb-\-O), ФСО при 740°С; 3 - Al0.3Ga0.7As(Yb+O), ФСО при 760"С; 4 - GaP(Yb+ О), ФСО при 850°С. Температура образцов при регистрации ФЛ составляла ПК.
также, что в диапазоне концентраций иттербия и кислорода от 1017 см~3 до 1019 см~3 в спектрах стационарной ФЛ Al0_3Ga0,7As полоса F-центров (988 — 992 нм) еще заметна, тогда как излучение Х-центров (1004 — 1008 мл«) вовсе отсутствует.
С учетом того, что пленки GaAs и Alo_zGaQjAs были выращены на одной и той же установке с использованием одних и тех же эффузионных ячеек, разная номенклатура РЗ центров в двух близких кристаллических матрицах представляется достаточно странной. Дополнительно проведенные методом SIMS измерения примесного состава пленок GaAs и Alo.3Gao.7As показали, что наборы основных фоновых примесей были достаточно близки друг другу. Ими оказались, прежде всего, углерод, азот, кремний,
1 - ю-2 Y it ill GaAs МВЕ УЬ~1018см"3 Г» 1 л18 3 импл. О ~ 10 см Z X _УЛа 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
- ,10"' 1 A103Ga07As МВЕ УЬ~410"см"' я А [1 /Ч импл. 0~ю'8 см3
~ 10° / 1 1 i—1 Al0 jGa^j 7AS МВЕ импл. (Yb+O) ~ 1018 см"3 V 1 ■ ■ ■ , j 3
: "^Jl 1 1 ГТ1 L 1 1 GaP импл. (Yb+O) ~ 1017 см"3 ■ , ,4
селен и сера.
Использование спектроскопии с временным разрешением и более высоких уровни возбуждения позволили выявить дополнительный ряд особенностей в формирована ; структуры РЗ излучения в системе А10.зСа0_7Аз:(УЬ + О).
Исследованный образец был получен по "комбинированной" технологии исход ная пленка АЮаАв выращивалась методом МВЕ, иттербий и кислород вводились в образец путем ионной имплантации с последующим ФСО при температуре 780°С, при этом концентрации УЪ и кислорода были равны друг другу и составляли яз 1019 ел Эволюция спектров РЗ излучения (при 4.2 К) после импульсного межзонного возб ждения приведена на рис. 4, где в целом наблюдалось сравнительно длительное (де сятки микросекунд) затухание ФЛ на ряде редкоземельных линий. В началы ■■ момент времени после действия лазерного импульса спектр ФЛ окалывался бесструк турным и покрывал весь диапазон регистрации (от 980 нм до 1020 нм). Затем в спектре начинали выделяться следующие наборы спектральных РЗ линий: 985.8 нм и 986.4 о, 990.4 нм, 992.6 мл«, 995 нм и 995.2 нм, слабая линия 998 нм, 1002.5 нм. 1004.7 нм и 1006.3 нм, 1008 нм, 1010.3 нм и 1011.1 нм, и 1013.1 нм и 1013.9 нм. При задерж ке более 50 - 60 мкс спектры нестационарной ФЛ (рис. 4) становились похожими на спектры стационарной ФЛ.
Можно констатировать, что наблюдается заметное различие в скоростях затухай ич различных РЗ линий. В измеренном интервале длин волн все линии разделились и; затухающие сравнительно долго "коротковолновые" в спектральном диапазоне от 98 ил», до 998 нм и гаснущие несколько быстрее "длинноволновые" в области от 1002.5 ч.ч до 1020 нм. Это иллюстрирует рис. 5, где приведены кривые затухания для линии У'Г, нм и линии 1004.7 нм. Видно, что скорость затухания ФЛ этих линий уменьшается со временем. В области задержек от 0 до 10 мкс затухание имеет сложный характер, л 1 описываемый простой экспоненциальной зависимостью. Значения 22 мкс для линии нм и 7.8 мкс для линии 1004.7 нм были определены по наклонам конечных участков кривых затухания 1 и 2 на рис. 5.
Ранее нами был сделан вывод, что в системе 0аАз:(УЬ 4- О) группы линий РЗ излучения в интервале 988 нм - 998 нм связаны с ионами УЬ3+, ассоциированными с фоновыми примесями - элементами IV группы Периодической системы элементов (и -жде всего, с кремнием и углеродом). Люминесценция в спектральном интервале 100 : - 10150 А связана с ассоциациями УЬ3+ с элементами VI группы (сера и селен [3, 4]). 11 основании этих данных можно предположить, что доминирующее в спектрах систем
А^зСЗга^Ав МВЕ
импл. (УЬ+О) ~ 1019 СМ 3 ФСО ~ 760 °С Т~ 4.2 К
19
-3
10
-7
980 990 1000 1010
0
10
20
30 40
^ МКС
X, нм
Рис. 4. Спектры нестационарной ФЛ образцов А103Са0.7Аз{УЬ + О). Регистрация спектров велась после действия возбуждающего лазерного импульса с временами задержки 1 0.1 мкс; 2 - 0.15 мкс; 3 - 0.60 мкс; 4 ~ 10 мкс; 5 - 3.3 мкс; 6 - 15 мкс; 7-60 мкс. Температура образца при регистрации ФЛ составляла 4.2 К.
Рис. 5. Кривые логарифмов затухания ФЛ образца А10 3Са0 7Аз(УЬ-\-0) для линий 1 995 нм 2 - 1004.7нм.
А10.зСа0.7Аз:(УЬ + О) излучение в области 992 - 998 нм, обусловлено сложными ассоциациями ионов УЬ3+, прежде всего, с атомами углерода. Взаимодействие с углероде у приводит, с одной стороны, к образованию иона УЬ3+, с другой - к соответствующему нефелоксетическому сдвигу спектральных линий. Ионы кислорода, несомненно, входя в состав РЗ центра, но они, скорее всего, определяют не тонкую структуру РЗ центра, а механизмы возбуждения РЗ ионов.
Отсутствие РЗ излучения в системах СаАв-УЬ и АЮаАзш.УЬ, полученных методом МВЕ, связано, по-видимому, с тем, что РЗ ионы не обладают зарядовым состоянием "3+" и не обеспечено их возбуждение.
Что касается зарядового состояния, то РЗ элементы, так же как и (та, расположены
в III группе Периодической системы элементов. Как известно, в приближении ионного характера связей решетки GaAs, заряд узельного иона Ga равен +1 (у As он равен -1). Учет ковалентной составляющей химической связи приводит к тому, что эффек тивный заряд ионов Ga оказывается равным +0.5. Эксперименты по динамике решетки соединений III-V в принципе подтвердили значения эффективных зарядов решеточш х ионов на уровне ~ 0.5 [11]. Для нас существенно, что заряд решеточного иона Ga не превышает +1. Так как РЗ атомы изовалентны атомам Ga, то нет никаких основа'. ' полагать, что, если поместить РЗ атом в решетку GaAs, то этот атом сразу приобрс зарядовое состояние "3+".
Выпишем теперь электронные конфигурации различных ионов УЬ.
УЬ° ~ [Pd]4/145.s25p66.s2
Yb1+ ~ [Pd\4:f145s25p66s1 УЬ2+ ~ [Pd\Af145s25p6
УЬ3+ ~ [Pd]Af135s25p6, где [Pd\ - электронная конфигурация атома палладия.
Как известно, для полностью завершенной оболочки квантовое число орбита.:: но го момента L равно нулю и квантовое число спинового момента S также равно нулю, поэтому никаких электронных переходов между состояниями полностью завершенной оболочки быть не может [12]. Полностью заполненная 4/-оболочка содержит 14 электро нов. Отсюда очевидно, что ионы УЬ°, УЬ1+ и УЬ2+ характеристическим РЗ излучение 1 не обладают, так как в своей электронной структуре они содержат полностью заполненную 4/-оболочку. Характеристическим РЗ излучением может обладать только йот УЬ3+ с незавершенной 4/-оболочкой. Таким образом, отсутствие РЗ излучения в плен ках GaAs, выращенных и легированных УЬ в процессе МВЕ, представляется вполне естественным.
Образование иона УЬ3+ происходит, по-видимому, во время отжига. С ростом темпе ратуры отжига все большее число фоновых примесей способно принять участие в диф фузионных процессах, которые, с учетом того, что слои являются имплантированным!' имеют характер радиационно-стимулированной диффузии. Диффундируя по кристалл . эти примеси вступают в химическое взаимодействие с РЗ ионами, например, УЬ1+ или УЬ°. В результате этого взаимодействия появляется ион УЬ3+ во вполне конкретном и определенном ближайшем окружении из примесных и решеточных ионов. При хм мическом взаимодействии происходит уменьшение геометрических размеров РЗ йот >:> Напомним, что радиус ионов УЬ° и оценивается в 0.16 - 0.18 нм, а радиус иона УЬ ' - порядка 0.09 нм [13, 14]. Столь значительное уменьшение размеров РЗ ионов должно
способствовать более успешному их встраиванию в кристаллическую матрицу. Таким образом, примеси - соактиваторы первой группы оказываются совершенно необходимыми для получения иона УЬ3+, обладающего электронными переходами в пределах 4/-оболочки.
Теперь обсудим вторую возможную причину отсутствия РЗ излучения в кристаллах ОаАв-.УЬ и АЮаАв-.УЬ. РЗ центр представляет собой сложное образование, включающее ион УЬ3+. а также некоторые примесные и решеточные ионы в пределах, по-видимому, первых трех координационных сфер иона УЬ3+. За тонкую структуру РЗ излучения несут ответственность ионы первой и второй координационных сфер, при доминирующей роли первой координационой сферы. Ионы третьей координационной сферы, ввиду удаленности от РЗ иона, практически не влияют на тонкую структуру РЗ излучения.
Напомним, что, как показали проведенные эксперименты по имплантации кислорода в кристаллы СаАз:УЪ, РЗ излучение возникало только при наличии в образцах атомов кислорода; при этом тонкая структура РЗ излучения не зависела от концентра ции введенного кислорода [3, 4]. На этом основании можно предположить, что примесь кислорода находится в третьей координационной сфере и каким-то образом участвует в возбуждении примесного РЗ иона, практически не влияя на энергетический спектр.
В настоящее время обсуждаются несколько механизмов возбуждения РЗ ионов. В работе [15] было показано, что в кристаллах СаР и 1пР с концентрацией фоновых примесей ~ 1018 см'3 существенную роль в возбуждении РЗ иона играет межпримесное взаимодействие (аналогично тому, что обычно имеет место в ионных кристаллах). При понижении концентраций фоновых примесей все большее значение приобретает возбуждение РЗ иона посредством взаимодействия этого иона с электронной подсистемой кристалла. Различают два основных способа возбуждения РЗ иона через электронную подсистему полупроводниковой матрицы - ударный и инжекционный. Инжекционный механизм представляет особый интерес, поскольку, по-видимому, именно он обеспечивает эффективный перенос энергии возбуждения от системы неравновесных электронно-дырочных пар (распределенных по кристаллу если не однородно, то, во всяком случае, не коррелированно с центрами РЗ люминесценции) к системе локализованных (и слабо гибридизованных с зонным спектром кристалла) электронных 4/-состояний РЗ иона. Детали взаимодействия между локализованными и нелокализованными компонентами возбуждения остаются во многом неясными.
Рядом исследователей была предпринята попытка обосновать гипотезу о том, что в механизме передачи энергии от неравновесных электронно-дырочных пар РЗ иону суще-
ственную роль играют процессы типа Оже [16]. Мы полагаем, что ионы кислорода на ходящиеся, по-видимому, в третьей координационной сфере иона УЬ3+, участвуют в ин жекционном механизме возбуждения РЗ иона. Акт рекомбинации электронно-дыроч 11011 пары происходит на ионе кислорода, а энергия, выделяющаяся при рекомбинации, :н редается (посредством процессов типа Оже) от периферии РЗ центра, где расположень ионы крислорода, самому РЗ иону.
Таким образом, для получения характеристического РЗ излучения в полупровод и ковой матрице, содержащей РЗ элементы, необходимо выполнение, по крайней м< ; < трех условий.
1. Присутствие (помимо атомов РЗ элемента) примесных атомов, которые при хп мическом взаимодействии с ионом УЬ1+ (или УЬ°) переводят этот РЗ ион в состояние УЬ3+. Роль таких соактиваторов первой координационной сферы могут выполнять металлоиды IV, V, VI и VII групп Периодической системы.
2. Наличие механизма передачи энергии от неравновесных носителей кристалли ческой матрицы РЗ иону для возбуждения его 4/-оболочки. В случае СаАв-УЬ и АЮаАв'.УЬ главную роль играет примесь кислорода, которая несомненно входит в состав РЗ центров и участвует в процессе возбуждения РЗ ионов.
3. Слои полупроводниковой матрицы, содержащие РЗ элементы, должны обладать высоким кристаллическим совершенством для ослабления безызлучательных каналов рекомбинации.
Авторы искренне признательны Г. Н. Галкину и Е. А. Бобровой за длительные и п ю-дотворные дискуссии при обсуждении полученных результатов и за систематически к> поддержку, оказанную ими в ходе проведения данной работы.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (96-02-18206), программ "Физика твердотельных наноструктур" (97-1046), ИНТАС-РФФИ. (95-0531) и СШ)Ь (К 11Е1-235).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Д р а в и н В. А., К о н н о в В. М., Л а р и к о в а Т. В., Л о й к о Н. Н. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 5 - 6, 18 (1995).
[2] К о н н о в В. М., Ларикова Т. В., Л о й к о Н. Н., Ушаков В. В Краткие соощения по физике ФИАН, N 5 - 6, 50 (1995).
[3] К о н н о в В. М., Л о й к о Н. Н., Гиппиус А. А. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9 - 10, 18 (1995).
[4] К о н н о в В. М., J1 о й к о Н. Н., J1 а р и к о в а Т. В. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3 - 4, 67 (1996).
[5] М i с h е 1 J., В е n t о n J. L., F е г г a n t е R. F. et al. J. Appl. Phys., 70. (2) 2672 (1991).
[6] К о н н о в В. М., Л о й к о Н. Н. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9 10, 41 (1997).
[7] К о н н о в В. М., JI о й к о Н. Н. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9 10, 59 (1997).
[8] К о н н о в В. М., Л о й к о Н. Н., Черноок С. Г., Бородина О. М. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3, 3 (1999).
[9] S t i ш ш е г J., R е i t t i n g e г A., Abstreiter G., et al. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 422, p. 15, eds. S. Coffa, X. Polman, R. Schwarts, Pittsburg (1996).
[10] Benton J., Eaglesman D., Almonte M., et al. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 301, p. 169, eds. G. Pomrenke, P. Klein, D. Lander. Pittsburg (1993).
[11] С т о у н x э м А. М. Теория дефектов в твердых телах. М., Мир, 1978 г.
[12] Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. М., Наука, 1963 г.
[13] В о у n R. Phys. Stat. Sol. (b), 148, И (1988).
[14] D i e k e G. H. "Spectra and Energy Levels of Rare Earth Ions in Crystals". N. Y., John Wiley and Son (1968).
[15] Касаткин В. А., Савельев В. П. ФТП, 18, вып. 9, 1634 (1984).
[16] Taguchi A., Takahei К., and N a k a t a G. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 301, p. 139, eds. G. Pomrenke, P. Klein, D. Lander. Pittsburg (1993).
Поступила в редакцию 12 мал 1999 г.
