This paper presents the photoluminescence spectra and light emission lifetimes in GaAs/Al_0.3Ga_0.7As structures designed for microwave and terahertz detectors. The photoluminescence and light emission lifetimes were investigated both before and after etching of the cap-layers, and possible mechanisms of carrier recombination are discussed. The characteristic time of the free exciton emission corresponds to 0.5 ns at a temperature of 3.6 K. The recombination lifetime of the free electron acceptor was measured to be 22–25 ns in GaAs structures and 4–15 ns in AlGaAs structures. The emission lifetime of deep Si level having 170 meV activation energy in AlGaAs layer was found to be equal to 40 ns. The excitonic photoluminescence maxima of n⁺/n-GaAs and n⁺/n-Al_0.3Ga_0.7As homojunction structures in comparison to n-GaAs and n-Al_0.3Ga_0.7As were shifted by approximately 200 ps. This suggested that the drift of free carriers is important in the formation of free excitons in n-GaAs and n-Al_0.3Ga_0.7As layers.

Keywords: GaAs, AlGaAs, homojunction, photoluminescence, lifetime, exciton, photoluminescence enhancement
PACS: 78.55.-m, 71.55.Eq, 71.35.-y

MIKROBANGŲ IR TERAHERCŲ DETEKTORIAMS SKIRTŲ GaAs/Al_0,3Ga_0,7As DARINIŲ FOTOLIUMINESCENCIJOS TRUKMĖS
A. Čerškus^a,b, J. Kundrotas^a, V. Nargelienė^a, A. Sužiedėlis^a, S. Ašmontas^a, J. Gradauskas^a, E. Johannessen^c, A. Johannessen^c
aVilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centras, Vilnius, Lietuva
^bVilniaus universiteto Onkologijos institutas, Vilnius, Lietuva

Ištirta Si donorais legiruotų GaAs/Al_0,3Ga_0,7As darinių, skirtų mikrobangų ir terahercų detektoriams, fotoliuminescencija ir šviesos emisijos trukmė esant stipriai legiruotiems sluoksniams bei šiuos sluoksnius nuėsdinus. Tyrimams naudotos dvi metodikos: nuostoviosios fotoliuminescencijos ir pavienių koreliuotų fotonų skaičiavimo metodika. Tyrimai atlikti temperatūrose tarp 3,6 ir 77 K. Al_0,3Ga_0,7As spektre nustatytos dviejų tipų priemaišinės linijos, susijusios su sekliosiomis anglies C ir silicio Si akceptorinėmis priemaišomis. Ištirta GaAs ir Al_0,3Ga_0,7As eksitoninių ir priemaišinių linijų emisijos trukmė. Nustatyta, kad eksitoninės emisijos trukmė lygi 0,5 ns esant 3,6 K temperatūrai. Laisvųjų elektronų rekombinacijos su akceptoriais emisijos trukmė GaAs sluoksniuose siekė 22–25 ns, o Al_0,3Ga_0,7As sluoksniuose buvo 4–15 ns. Ištirtas gilus emisijos centras Al_0,3Ga_0,7As sluoksnyje: jo aktyvacijos energija lygi 170 meV, o emisijos trukmė – 40 ns. Šis centras susietas su taškinių defektų arba kompleksų tarp Si ir taškinių defektų susidarymu n⁺-Al_0,3Ga_0,7As sluoksniuose. Aptiktas GaAs ir Al_0,3Ga_0,7As spektrinių linijų intensyvumo sustiprėjimas. Šis sustiprėjimas siejamas su n⁺/n sandūrų įtaka šiuose dariniuose; tai patvirtina ir emisijos vėlinimas apie 200 ps esant n⁺/n sandūroms, palyginti su emisija GaAs ar Al_0,3Ga_0,7As sluoksniuose. Taigi eksitonų formavimui n⁺/n dariniuose yra svarbus laisvųjų krūvininkų dreifas į silpnojo lauko sritį, kurioje jie padidina eksitonų tankį ir taip sustiprina eksitoninę spinduliuotę.

References / Nuorodos

[1] P.H. Siegel, Terahertz technology in biology and medicine, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 52(10), 2438–2447 (2004),
http://dx.doi.org/10.1109/TMTT.2004.835916
[2] J. Federici and L. Moeller, Review of terahertz and subterahertz wireless communications, J. Appl. Phys. 107(11), 111101–22 (2010),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3386413
[3] H. Takeuchi, J. Yanagisawa, T. Hasegawa, and M. Nakayama, Enhancement of terahertz electromagnetic wave emission from an undoped GaAs/n-type GaAs epitaxial layer structure, Appl. Phys. Lett. 93(8), 081916–3 (2008),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2976436
[4] A. Reklaitis, Comparison of efficiencies of GaAs-based pulsed terahertz emitters, J. Appl. Phys. 101(11), 116104–3 (2007),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2739336
[5] A.G.U. Perera, H.X. Yuan, S.K. Gamage, W.Z. Shen, M.H. Francombe, H.C. Liu, M. Buchanan, and W.J. Schaff, GaAs multilayer p⁺-i homojunction far-infrared detectors, J. Appl. Phys. 81(7), 3316–3319 (1997),
http://dx.doi.org/10.1063/1.364356
[6] A.G.U. Perera, in: Advances in Infrared Photodetectors, Semiconductors and Semimetals, Vol. 84, eds. S.D. Gunapala, D.R. Rhiger, and C. Jagadish (Academic Press, San Diego, 2011) pp. 243–302,
http://www.amazon.co.uk/Advances-Photodetectors-Semiconductors-Semimetals-ebook/dp/B005C9GB0W/
[7] A.B. Weerasekara, M.B.M. Rinzan, R.C. Jayasinghe, S.G. Matsik, A.G.U. Perera, M. Buchanan, H.C. Liu, G. von Winckel, A. Stintz, and S. Krishna, Single and multi emitter terahertz detectors using n-type GaAs/AlGaAs heterostructures, IEEE Sensors 2007 Conference, 507–510 (2007),
http://dx.doi.org/10.1109/ICSENS.2007.4388447
[8] A. Sužiedėlis, S. Ašmontas, J. Kundrotas, J. Gradauskas, E. Širmulis, A. Čerškus, and V. Nargelienė, Planar heterojunction diodes for microwave and infrared applications, in: Advanced Optical Materials and Devices (AOMD-7): 7th International Conference: Vilnius, Lithuania, 28–31 August, 2011: Program and Abstracts (Vilnius, 2011) p. 74
[9] A.Y. Cho, Growth and properties of III–V semiconductors by molecular beam epitaxy, in: Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures, eds. L.L. Chang and K. Ploog (Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht, 1985) pp. 191–226,
http://dx.doi.org/10.1007/978-94-009-5073-3_6
[10] W.T. Tsang, Molecular beam epitaxy for III–V compound semiconductors, in: Lightware Communications Technology, Semiconductors and Semimetals, Vol. 22, Part A, ed. W.T. Tsang (Academic Press, London, 1985) pp. 95-207
[11] W. Becker, Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Techniques (Springer Berlin Heidelberg, New York, 2005),
http://dx.doi.org/10.1007/3-540-28882-1
[12] S.B. Nam, D.C. Reynolds, C.W. Litton, R.J. Almassy, T.C. Collins, and C.M. Wolfe, Free-exciton energy spectrum in GaAs, Phys. Rev. B 13(2), 761–767 (1976),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.13.761
[13] A. Čerškus, J. Kundrotas, V. Nargelienė, A. Sužiedėlis, S. Ašmontas, J. Gradauskas, A. Johannessen, and E. Johannessen, Photoluminescence characterisation of GaAs/AlGaAs structures designed for microwave and terahertz detectors, Lith. J. Phys. 51(4), 330–334 (2011),
http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.51406
[14] D.V. O’Connor and D. Phillips, Time-Correlated Single Photon Counting (Academic Press, London, 1984),
http://store.elsevier.com/product.jsp?isbn=9780323141444
[15] Origin: Convolution/Deconvolution Example, http://www.originlab.com/index.aspx?go=Products/Origin/DataAnalysis/SignalProcessing/Convolution&pid=67
[16] E. Grilli, M. Guzzi, R. Zamboni, and L. Pavesi, High-precision determination of the temperature dependence of the fundamental energy gap in gallium arsenide, Phys. Rev. B 45(4), 1638–1644 (1992),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.45.1638
[17] J. Vaitkus and J. Viščakas, On the determination of parameters of defect levels, Lith. J. Phys. 6(1), 65 (1966)
[18] G.W. ’t Hooft, W.A.J.A. van der Poel, L.W. Molenkamp, and C.T. Foxon, Giant oscillator strength of free excitons in GaAs, Phys. Rev. B 35(15), 8281–8284 (1987),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.35.8281
[19] A. Čerškus, V. Nargelienė, J. Kundrotas, A. Sužiedėlis, S. Ašmontas, J. Gradauskas, A. Johannessen, and E. Johannessen, Enhancement of the excitonic photoluminescence in n⁺/i-GaAs by controlling the thickness and impurity concentration of the n⁺ layer, Acta Phys. Pol. A 119(2), 154–157 (2011),
http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/ABSTR/119/a119-2-19.html
[20] V. Nargelienė, S. Ašmontas, A. Čerškus, J. Gradauskas, J. Kundrotas, and A. Sužiedėlis, Peculiarities of excitonic photoluminescence in Si δ-doped GaAs structures, Acta Phys. Pol. A 119(2), 177–179 (2011),
http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/ABSTR/119/a119-2-26.html
[21] J. Kundrotas, A. Čerškus, V. Nargelienė, A. Sužiedėlis, S. Ašmontas, J. Gradauskas, A. Johannessen, E. Johannessen, and V. Umansky, Enhanced exciton photoluminescence in the selectively Si-doped GaAs/Al_xGa_1−xAs heterostructures, J. Appl. Phys. 108(6), 063522–7 (2010),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3483240
[22] J. Kundrotas, A. Čerškus, J. Liberis, A. Matulionis, J.H. Leach, and A.H. Morkoç, Enhancement and narrowing of excitonic lines in AlInN/GaN heterostructures, Acta Phys. Pol. A 119(2), 173–176 (2011),
http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/ABSTR/119/a119-2-25.html
[23] T. Schmidt, K. Lischka, and W. Zulehner, Excitation-power dependence of the near-band edge photoluminescence of semiconductors, Phys. Rev. B 45(16), 8989–8994 (1992),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.45.8989
[24] J.X. Shen, R. Pittini, Y. Oka, and E. Kurtz, Exciton dynamics in GaAs/Ga_1-xAl_xAs heterojunctions and GaAs epilayers, Phys Rev. B 61(4), 2765–2772 (2000),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.61.2765
[25] L.M. Smith, D.J. Wolford, R. Venkatasubramanian, and S.K. Ghandhi, Radiative recombination in surface-free n⁺/n^–/n⁺ GaAs homostructures, Appl. Phys. Lett. 57(15), 1572–1574 (1990),
http://dx.doi.org/10.1063/1.103357