بخشی از مقاله
چکیده
عنصر کوچک نیتروژن به دلیل الکترونگاتیوي بالا، با مشارکت در ساختار InGaAs عامل اساسی خصوصیالت جالب اپتیکی ساختارهاي InGaNAs می باشد. در این مقاله نیز تک لایه هاي InGaNAs با مقدار نیتروژن 0/7 و 1 درصد مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج حاصل با استفاده از طیف نمایی فتولومینسانس نیز نشان داده شده است. از جمله آن کاهش گاف نواري تک لایه با حضور نیتروژن است که بدین ترتیب می توان با تغییر میزان نیتروژن، در گستره طول موجی مورد احتیاج براي ارتباطات مخابراتی از طریق فیبر نوري - محدوده 1/3-1/55 میکرون - ، گسیل نوري داشته باشیم و به عنوان یک پارامتر فعال، درصد نیتروژن به همراه نوع ساختار این نیمه رسانا، تغییرات طول موجی را براي ما امکان پذیر می سازند. علاوه بر این، به دلیل ناهموتریهاي سطحی به وجود آمده در ساختار، از بازده نوري نمونه کاسته می شود. همچنین حضور افت و خیزهاي سطحی جایگزیدگی اکسیتونها را نیز سبب می شود که با استفاده از تغییرات شدت نور گسیلی میتوان به حضور آنها پی برد.
مقدمه:
در سالهاي اخیر آلیاژ چهارتایی InxGa1-xNyAs1-y به علت کاربردهاي بالقوه اش در ساخت قطعاتی مانند سلولهاي خورشیدي چند پیوندي و قطعات اپتوالکترونیک به منظور استفاده در مخابرات نوري مورد توجه زیادي قرار گرفته است.[3-1]توجه اساسی و تکنولوژیکی این ساختار بدین علت است که ضریب خمش گاف نواري آن نسبت به آلیاژهاي دوتایی III-N و III-As بزرگ است [4] - b ~ 14 eV - ، بنابراین چنین ضریب خمش بزرگی به آلیاژ InxGa1-xNyAs1-y اجازه می دهد که بر روي GaAs رشد یابد و براي x ~ 3y ثابت شبکه آن هماهنگ با GaAs باقی بماند.[2]
علاوه بر این ساختار InGaNAs/GaAs در ساخت لیزرهاي گسیل کنده سطحی با کاواك عمودي با گسیل نور در حدود 1/3میکرون نیز مورد استفاده قرار می گیرد و به دلیل عدم پراکندگیپالسهاي نوري در این محدوده طول موجی، در انتقال اطلاعات مخابراتی با استفاده از فیبرهاي نوري به کار می رود.[5]در ادامه کارهاي گذشته و مقالات ارائه شده در کنفرانس سالانه فیزیک 1385 و همچنین کنفرانس ماده چگال دانشگاه فردوسی مشهد سال 1385 که بر روي چاههاي کوانتومی یگانه بحث و بررسیهایی انجام شده است دز این مقاله به مطالعه اپتیکی تک لایه هاي فوق نازك InGaNAs با درصد هاي متفاوتی از نیتروژن و شدتهاي تحریکی مختلف، با به کارگیري تکنیک تجربیفتولومینسانس پرداخته شده است.
نمونه ها و روش آزمایش:
نمونه هاي مورد بررسی در این مقاله شامل تک لایه هاينیتروژن دار رقیق InxGa1-xNyAs1-y با درصد متفاوتی از نیتروژن هستند که به صورت تک لایه In0/058GaN0/007As به ضخامت 100nm و لایه محافظ GaAs در حدود 20nm، و همچنین تک لایه In0/038GaN0/01As به ضخامت 900nm و لایه محافظ 80nm می باشد که به روش MOVPE و در دماي حدود 6100Cرشد داده شده اند و براي مطالعه اپتیکی آنها، از تکنیک فتولومینسانس در شدتهاي مختلف نور لیزر تحریکی - 4mW و - 40mW استفاده شده است. براي تحریک نمونه ها نیز در تکنیکفتولومینسانس، از لیزر Ar+ با طول موج 5145 Å استفاده شدهاست.
بحث و نتیجه گیري:
در ساختارهاي نیتروژن دار رقیق III-V-N مانند InGaNAs ،ساختار نواري با حضور نیتروژن دستخوش تغییرات زیاديمی شود. از جمله موارد این است که گاف نواري InGaAs با مشارکت مقدار ناچیزي N کاهش می یابد و با افزودن درصد Nدر ساختار InGaNAs کاهش بیشتري نیز مشاهده می گردد. این اثر با استفاده از مدل دافعه نواري مورد بررسی قرار داده می شود.[6] این مدل بر اساس شکافتگی نوار رسانش آلیاژ InGaNAs به دو زیر تراز E+ و E- می باشد که با در نظر گرفتن پتانسیل اختلال سیستم در اثر حضور نیتروژن و حل معادلههامیلتونین می توان مقادیر آن را به صورت زیر بدست آورد.[6]با حضور نیتروژن برهمکنشی بین نوار رسانش ساختار میزبان - EM - InGaAs و تراز جایگزیده - EN - N ایجاد می شود که VMNنیز مقدار پتانسیل برهمکنش فوق را بیان می کند و با افزایش مقدارنیتروژن - y - و در نتیجه افزایش VMN بر اساس رابطهVMN CMN y انرژي زیر تراز E- که برابر با مقدار انرژي گافنواري است، کاهش می یابد.[6]
ضریب CMN نیز در نمونه هاي مختلف نیتروژن دار رقیق، مقادبر متفاوتی را داراست و در نمونه InGaNAs این ضریب به درصد - x - In به صورت زیر وابسته می باشد:[7]
با توجه به روابط فوق مقدار پتانسیل برهمکنش - VMN - را می توان در دو نمونه تک لایه In0/058GaN0/007As و In0/038GaN0/01Asداراي درصدهاي متفاوتی N و In محاسبه نمود:
با توجه به مقادیر تعیین شده مربوط به پتانسیل برهمکنش مربوط به دو تک لایه InGaNAs مورد بررسی در مقاله فوق، مشاهدهمی شود که در همه موارد ذکر شده با افزایش مقدار نیتروژن، پتانسیل برهمکنش VMN افزایش می یابد. بنابراین گاف نواري نمونه هاي فوق نیز با افزودن نیتروژن کاهش می یابند که این اثر با استفاده از طیفهاي فتولومینسانس در دو شرایط مختلف از نظرشدت تحریک نور لیزر P=4mW - و - P=40mW و در دمايT=2K در شکل - a - 1 و - b - نشان داده شده است.با توجه به طیف هاي رسم شده و مقادیر انرژي مربوط به قله هاکه بیان کننده انرژي بازترکیب اکسیتونها در محدوده گاف نواري آنها است، مشاهده می شود که در ساختار تک لایه InGaNAsهمانند چاههاي کوانتومی [8] با افزایش درصد نیتروژن، گاف نواري کاهش می یابد، بطوریکه در نمونه هاي فوق به ازاي افزایش 1 درصد نیتروژن گاف نواري کاهشی در حدود تقریبی90meV را نشان می دهد.
علاوه بر این مشارکت نیتروژن در آلیاژ InGaAs، ایجاد افت و خیزهایی در سطح نمونه می نماید که باعث تشکیل نقایص ساختاري و مراکز به دام اندازي و جایگزیدگی اکسیتونها می گردد
و با حضور درصدهاي بیشتر نیتروژن، این افت و خیزها نیز افزایش بیشتري می یابند که با استفاده از تصاویر گرفته شده با استفاده از میکروسکوپهاي الکترونی عبوري - TEM - می توان حضور آنها را مشاهده نمود.[5] ایجاد نقایص ساختاري در نمونه از بازده اپتیکی می کاهد که این حالت باعث کاهش شدت طیفهاي فتولومینسانس می شود که در شکل 1 نیز با افزایش درصد نیتروژنقابل مشاهده می باشد. اما با انجام عملیات حرارتی بر روي نمونه ها می توان این مورد را اصلاح نمود.[1] همچنین افزایش پهناي طیفهاي فتولومینسانس - FWHM - مربوط به نمونه هاي تک لایه تحت بررسی، حضور افت و خیزهاي ناشی از نیتروژن را تأییدمی نماید.
پهناي محاسبه شده طیفهاي فتولومینسانس شکل 1 درشدت تحریکی 4mW مربوط به نمونه هاي As٠٠٧/٠/GaN٨۵٠/٠In و In0/038GaN0/01As به ترتیب 20/5meV و 48meV و در شدت تحریک 40mW مربوط به این دو نمونه به ترتیب 20meV و35meV می باشد. بدین ترتیب با افزایش درصد نیتروژن در نمونه هاي فوق، پهناي طیفها - FWHM - افزایش یافته است. در همه این موارد، افزایش پهنا به دلیل افزایش افت و خیز هاي پتانسیل و کاهش یکنواختی ساختار، ناشی از افزوده شدن درصد نیتروژن در سطح نمونه می باشد و از آنجا که در هر لحظه ممکن استمیلیونها فوتون در نتیجه بازترکیب آزاد شود، در نتیجه با افزایش افت و خیزها و ماکزیمم و مینیمم هاي پتانسیل، اختلاف انرژي فوتونها - به عنوان مثال: E=E2-E1 شکل - - 2 - a به علت بازترکیبحاملها افزایش می یابد و بدین ترتیب پهناي پوش طیفهاي حاصلاز بازترکیب فوتونها، یعنی همان طیفی که مشاهده می گردد،افزایش می یابد.
