Уменьшение энергии связи доноров в слоях GaN : Si при сильном легировании

Методом фотолюминесцентной спектроскопии исследованы свойства легированных кремнием слоев GaN, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака. Показано, что низкотемпературная фотолюминесценция обусловлена рекомбинацией связанных на донорах экситонов при концентрациях атомов кремния до 10$^{19}$ см$^{-3}$. При концентрации атомов кремния 1.6 $\cdot$ 10$^{19}$ см$^{-3}$ в спектре фотолюминесценции доминирует полоса свободных экситонов, в более сильно легированных слоях – полоса межзонной рекомбинации. Наблюдалось уменьшение энергии связи экситонно-донорного комплекса с ростом уровня легирования. С использованием правила Хайнса для GaN, согласно которому энергия связи комплекса составляет 0.2 от энергии ионизации донора $E_D$, показано, что $E_D$ уменьшается с ростом концентрации кремния $N_D$. Этот эффект описывается зависимостью $E_D=E_D^{\mathrm{opt}}-\alpha N^{1/3}_D$, где $E_D^{\mathrm{opt}}$ – энергия ионизации одиночного атома кремния в GaN. Было получено значение коэффициента $\alpha$ = 8.4 $\cdot$ 10$^{-6}$ мэВ/см$^{-1}$, показывающего уменьшение глубины залегания края примесной зоны с ростом концентрации кремния.