بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ما نشان داده ایم که تاثیر آلایش نیتروژن - 0 ≤ x ≤ 2% - روي ساختارهاي نیمرساناي بی نظم GaInP/GaAs به یک فرایند آنتی –استوك فتولومینسانس - - ASPL قوي منجر می شود. ما متوجه شده ایم که بازدة این فرایند به طور بحرانی به غلظت نیتروژن در نمونه ها وابسته است.
دلیل این مسأله به نظر ما احتمالا به تغییر نوع ردیف شدگی نواري در فصل مشترك این ساختارها بدلیل حضور نیتروژن مربوط می شود. همچنین در این مطالعه می بینیم که شدت سیگنال ASPL مشاهده شده تقریبا به طور خطی با چگالی توان تحریک تغییر میکند. بر اساس مشاهده سیگنالهاي ASPL با بازده بالا حتی در توانهاي تحریک بسیار پایین و نیز اندازه گیري پارامترهاي وابسته به توان تحریک به نظر ما مکانیزم جذب دو فوتون دو مرحله اي براي توجیه وارونی انرژي در این فرایند از دیگر مکانیزم ها محتمل تر است.
مقدمه
آنتی– استوك فتولومینسانس - ASPL - فرایندي است که طی آن گسیل فوتون ها در انرژي هایی بالاتر از انرژي فوتون هاي تحریک رخ می دهد. مطالعات اخیر نشان می دهند که بازده این فرایند در نیمرساناهاي با ساختارهاي ناهمگون و چاه کوانتومی قابل توجه می باشد.
کاربرد این ترکیبات جدید را در ابزارهاي اپتوالکترونیکی نظیر تبدیل فرکانسی میسر میسازد. بازده این فرایند توسط مکانیزمهاي که مسئول تحریک و انتقال حاملها به منطقه نیمرساناي با گاف نواري بزرگتر هستند، تعیین می شود.
مکانیزمهاي موثرکه غالباً در این ساختارها براي توجیه وارونی انرژي پیشنهاد میشوند عبارتند از: جذب دو فوتون یک مرحلهاي ، جذب دو فوتون دومرحلهاي [2-4] و فرآیند اوژه سرد .
برداشته شدن قید پایستگی تکانه خطی حامل ها در مرز مشترك یک ساختار ناهمگون و همچنین وجود حالت هاي اکسیتونی جایگزیده در منطقه نیمرساناي با گاف نواري کوچکترو وجود حالتهاي جایگزیده درنوار رسانش از عواملی هستند که میتوانند باعث افزایش بازده این فرایند در اینگونه ساختارها شوند .
نمونه ها و آزمایش
نمونه هاي GaInP الایش شده با نیتروژن در این مطالعه بروش رو آراستی پرتو- مولکولی و در دماي 460 در جه سلسیوس روي یک زیر لایه - 100 - GaAs توسط گروه پروفسور تو در دانشگاه کالیفرنیا رشد داده شده اند. ضخامت تمام لایه هاي اصلی 235 نانومتر و غلظت نیتروژن آلایش شده در نمونهها بین 0 تا 2% متغیر بوده است. براي تحریک لایه هاي ترکیبات مورد مطالعه از طیف گسیلی حاصل از یک لیزر یونی آرگون یا یک لیزر حالت جامد قابل تنظیم استفاده شده است. فتولومینسانس حاصل از نمونه ها پس از عبور از یک تکفام ساز دوگانه توسط یک آشکار ساز مولتی پلایر و یا یک آشکارساز ژرمانیومی ثبت شده اند.
کلیه اندازه گیري ها درآزمایشگاه فوتولومینسانس پروفسور ومین چن واقع در دانشکده فیزیک و سنجش اندازه گیري دانشگاه لینشوپینگ در کشور سوئد توسط سوپر وایزر اینجانب اقاي دکتر ایزدي فرد انجام شده است.
نتایج و بحث
در ادامه به تحلیل نتایج حاصل از اندازه گیري هاي انجام شده روي نمونه هاي اشاره شده در بالا می پردازیم. همانطور که در مقدمه ذکر شد گسیل تابشی - ASPL - نزدیک گاف نواري لایه اصلی در ساختارهاي ناهمگون هنگامی که انرژي نور تحریکی - طیف گسیلی از یک لیزر مناسب - کمتر از گاف نواري لایه اصلی آن باشد نیز میتواند رخ دهد
شکل 1 خطوط طیفی نرمالیزه ثبت شده ASPL حاصل از تحریک نوري نمونههاي مورد مطالعه ، زمانی که انرژي تحریک برابر E exc 1 .589 eV و دماي اندازه گیري 5 کلوین بوده است، را نشان دادهایم. بررسی طیف هاي ثبت شده نشان می دهند که موقعیت مکانی قلههاي طیف مربوطه و نیز شکل خطوط طیفی مشابه حالتی است که انرژي تحریکی از گاف نواري لایههاي اصلی بزرگتر است.
همان طور که در شکل 1 دیده میشود با افزایش غلظت نیتروژن قله مربوط به هر خط طیفی در منطقه مرئی به دلیل پدیده خمش نواري که از ویژگیهاي بارز ترکیبات نیتروژن دار رقیق است جابهجایی قابل توجهاي را به سمت انرژيهاي کوچکتر نشان میدهد. همه این ویژگیها هنگامی که Eexc EgGaInNP است نیز در طیف فوتولومینسانس گسیلی از نمونه ها دیده میشود، که نشانگر این واقعیت است که مکانیزم بازترکیب تابشی حاملهاي شرکت کننده در هر دو فرآیند Eexc EgGaInNP وEexc EgGaAs در لایههاي اصلی مواد مورد مطالعه یکسان میباشد اگر چه نحوه پیدایش این حاملها در لایه اصلی GaInNP در این دو فرآیند متفاوت است.
شکل:1 طیفهاي ASPL نمونههاي مورد مطالعه اندازه گیري شده در دماي 5 کلوین
همانطور که در شکل 1 دیده میشود براي نمونه بدون نیتروژن بازدهاي ASPL بسیار ضعیف است به گونهاي که شدت این طیف براي این ترکیب تقریباً صفر است. در حالی که با افزایش درصد نیتروژن ضمن ظهور طیفهاي ASPL شدت آنها نیز قابل توجه میشود. این مسأله به خصوص براي نمونههاي با غلظت 1% و 5% I - 1% -
نیتروژن چشمگیرتر است، - I - 0.5ASPL% - ≈2 - ، در حالی که با افزایش ASPL غلظت نیتروژن تا 2% شدت طیف ASPL کاهش مییابد
این مسأله میتواند ناشی از کاهش کیفیت ASPL اپتیکی نمونه به دلیل افزایش درصد نیتروژن که باعث ازدیاد
نقصهاي بلوري و تلههاي غیرتابشی میشود باشد. فاصله انرژي قلههاي طیفهاي ASPL مشاهده شده از انرژي تحریکی در حدود 80 الی 220meV - بسته به درصد نیتروژن موجود در نمونهها - بالاتر است. بازدهاي ASPL هاي مشاهده شده نیز بسیار قابل توجه میباشد. زیرا حتی براي زمانی که چگالی تحریکی به کوچکی حدود0/1 w/cm2 است این طیفها قابل مشاهده هستند.
از روي شیب دنباله خطوط طیفی ASPL در نواحی کم انرژي میتوان پتانسیلهاي جایگزیده - افت و خیزهاي نواري در نوار رسانش - را که نقش مؤثري در افزایش بازدهاي ASPL دارند براي هر نمونه تخمین زد. با انجام این کار و تخمین پتانسیل هاي جایگزیده مشاهده کردیم که مقدار پتانسیل به دست آمده در این روش براي تمام نمونههاي نیتروژندار تقریباً یکسان است.
این نتایج نشان میدهد که این پتانسیلهاي جایگزیده نقشی در ASPL هاي پر بازده مشاهده شده ندارند. براي بررسی بیشتر در خصوص مکانیزم غالب در وارونی انرژي در فرآیند ASPL ، از نتایج حاصل ازاندازهگیريهاي وابستگی شدت سیگنال ASPL به توان تحریک و نیز دما استفاده کرده ایم. شدت به توان تحریک - - Pexc وابسته است. در شکل 2 نتایج مربوط به اندازهگیري شدت ASPL بر حسب توان تحریک براي یک نمونه نوعی نیتروژندار در مقیاس لگاریتمی نشان داده شده است. همان طور که در این شکل به وضوح دیده میشود با افزایش تا سه مرتبه
بزرگی توان تحریک یک جابهجایی در حدود 22meV به سمت انرژيهاي بالاتر به دلیل اثر پرشدگی نواري رخ میدهد.
شکل :2 نمودار مربوط به شدت طیف ASPL برحسب توان تحریک براي یک
شکل :3 طیف ASPLE براي یک نمونه نوعی. دراندازه گیري ASPLE تکفام ساز دو گانه در انرژي نظیر قله طیف ASPL مربوط به نمونه اشاره شده روي شکل ثابت شده است.
این مشاهده به وضوح نشان می دهد که حامل هاي شرکت کننده در باز ترکیبهاي تابشی ASPL نخست در ناحیه GaAs در نزدیکی مرز مشترك با لایه اصلی GaInNP ایجاد شده و سپس از این ناحیه توسط مکانیزم مناسبی که باعث وارونی انرژي می شود به نوارهاي رسانش و ظرفیت لایه اصلی GaInNP می روند. نتایج حاصل از این مطالعه می تواند ما را در پیش بینی مکانیزم وارونی انرژي که منجر به مشاهده طیفهاي ASPL شده است
