Определение ширины запрещенной зоны

В прямозонных слаболегированных полупроводниках значение Е_g можно найти по положению максимума краевого излучении. Под краевым подразумевают излучение, возникающее в результате межзонных переходов и излучательной рекомбинации свободных экситонов. При прямых межзонных переходахвеличина Е_g в нелегированных полупроводниках соответствует энергии максимума полосы излучения. При низких температурах в таких полупровод­никах наряду с межзонными переходами может происходить аннигиляция свободных экситонов. Энергия максимума экситонной полосы ниже величины Е_g на энергию связи свободного экситона, которая не превышает 5–7мэВ. Идентификация механизма излучательного перехода (межзонный или экситонный) производится по ширине и форме полосы краевого излучения. Ширина экситонной полосы не превышает 1 к₀Т. В полупроводниках с резкими краями зон при межзонных переходах спектральная ширина полосы на половине ее вы­соты составляет приблизительно 1,7 к₀Т. Полоса имеет асимметричную форму: для нее характерна коротковолновая затяжка, обусловленная температурным размытием носителей по состояниям в зонах. С ростом температуры асимметрия полосы межзонного излучения увеличивается. При высоких температурах (Т»300К) экситоны разрушаются, и краевое излучение обусловливается межзонными переходами.

В умеренно легированных мелкими примесями прямозонных полупроводниках n-типа при низких температурах (Т £77К) краевое излучение может формироваться как межзонными переходами, так и переходами через мелкие донорные состояния, либо только переходами мелкий донор – валентная зона. Глубина залегания мелких донорных уровней под дном зоны проводимости Е_D, например в соединениях А^ШВ^V, обычно не превосходит 5–7 мэВ. В этом случае энер­гия максимума краевого излучении может быть ниже значения Е_g на величину Е_D. С повышением температуры про­исходит ионизация мелких донорных уровней, и краевое излу­чение обусловливается при этом только межзонными пере­ходами.

Таким образом, наиболее достоверную информацию о величине Е_g в прямозонных нелегированных и умеренно легированных полупроводниках можно получить измерением спектра межзонной люминесценции при 300 К, так как в этом слу­чае исключаются возможные ошибки, связанные с определе­нием энергии связи экситона или глубины залегания мелкого донорного уровня.

В вырожденных прямозонных полупроводниках при всех температурах краевое излучение связано с межзонными переходами и значение Е_g в них со ответствует точке пересечения касательнойк низкоэнергетическому спаду полосы краевого излучения с нулевым фоном (рисунок 6).

Рисунок 6 – Иллюстрация метода определения ширины запрещенной зоны полупроводника по спектру излучательной рекомбинации светодиода.

Основным недостатком люминесцентных методов определения ширины запрещённой зоны яв­ляется то, что точность их значительно уменьшается при на­личии у краев зон «хвостов» плотности состояний, характер­ных для сильно легированных полупроводников. Кроме того, в спектрах излучения некоторых полупроводников полоса краевого излучения отсутствует, например, из-за интенсивных каналов примесной излучателыюй и безызлучательной реком­бинации. Естественно, что для таких кристаллов неприменимы методы, основанные на анализе формы спектра краевого из­лучения [3].