WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 2 Кинетика и неоднородная инжекция носителей в нанослоях InGaN © Д.С. Сизов¶, В.С. Сизов, Е.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.В. Фомин, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 21 июня 2004 г. Принята к печати 30 июня 2004 г.) Исследовались электронно-оптические свойства светодиодных структур, содержащих в активной области несколько рядов квантовых точек InGaN/GaN, разделенных спейсерами GaN. Показано, что заращивание слоя квантовых точек слоем InGaN более низкого состава с повышением температуры позволяет усилить глубину локализации носителей в квантовых точках. Кроме того, наблюдается неоднородная инжекция носителей преимущественно в области с большей глубиной локализации. Подробно исследованы электроннооптические свойства p-n-перехода и влияние указанных неоднородностей на эти свойства и показано, что сдвиги линий излучения фото- и электролюминесценции при изменении условий измерений связаны с данными свойствами неоднородности в p-n-переходе.

1. Введение ным размером порядка одного микрона [1,5,12]. Оба вида неоднородностей приводят к уширению спектра Несмотря на прогресс в лазерах и светодиодах на баизлучения, но по-разному проявляют себя при более зе GaN, излучающих в видимом диапазоне, за последние детальном рассмотрении их свойств. Наличие сильных годы так и не достигнуто четкое понимание электронновстроенных пьезо- и пирополей в гетероструктурах на оптических свойств сверхтонких слоев InGaN в активоснове нитридов третьей группы приводит к существенной области светоизлучающих приборов на базе GaN.

ному искажению зонной диаграммы. В этом случае Большое количество экспериментальных данных и разнеоднородности концентрации In в активной области личные способы их интерпретации зачастую протисказываются на упругих напряжениях в структуре и воречат друг другу. Многообразие экспериментальных приводят к локальному искажению высоты барьера для данных может объясняться сильным влиянием особенинжекции неравновесных носителей, что в свою очередь ностей эпитаксиального роста на свойства структур [1], приводит к неоднородности в протекании тока.

что приводит к сильной зависимости излучательных и Для реализации лазерной генерации при инжекционэлектрических параметров структур от технологических ной накачке необходима оптимизация технологических режимов. К условиям эпитаксиального роста InGaN чувпараметров и получение как можно более однородного ствительны такие параметры материала, как его состав и массива КТ с высокой плотностью. Статистическое пенеоднородность [2], пространственные масштабы данной рераспределение носителей позволяет носителям занинеоднородности [3], а также морфологические особенномать наиболее глубокие уровни этого массима. Однако сти и дефекты в эпитаксиальных слоях. Неоднородное неоднородная инжекция и кинетические задержки пеуширение пиков излучения [4–6] в системе InGaN/GaN рераспределения носителей между уровнями КТ могут связывается как с фазовым распадом твердого раствора, ухудшать однородность заселения излучающих уровней, так и с флуктуациями толщины слоев InGaN. Если что увеличивает пороговые характеристики лазеров.

масштабы неоднородностей сравнимы с длиной волны В настоящей работе исследовались процесы инжекции де-Бройля электрона и дырки, а глубина локализации носителей в структурах с активной область InGaN носителей достаточно велика, можно говорить о налии рассмотрено влияние неоднородностей инжекции на чии квантовых точек (КТ) [7] в структурах InGaN/GaN.

спектры излучения структуры.

Образование КТ с размерами менее 10 нм при осаждении сверхтонких слоев InGaN в матрицу GaN было продемонстрировано экспериментально [8,9]. Согласно 2. Эксперимент данным по изучению оптических свойств, энергетический спектр массива таких КТ сильно уширен вслед- Исследованные структуры были выращены методом ствие неоднородности по размерам и составу КТ [5,8,10].

газофазной эпитаксии из металлорганических соединеОднако излучение наблюдается из хвоста состояний, со- ний на установке AIX 2000-HT. Эпитаксия производиответствующих КТ с наибольшей энергией локализации.

лась на сапфировых подложках с ориентацией (0001).

Нами ранее показано [11], что при температуре порядка После осаждения буферного слоя GaN:Si n-типа выракомнатной, благодаря температурной активации, распрещивалась активная область, состоящая из нескольких деление носителей по ансамблю КТ близко к статислоев InGaN. В структуре A слой КТ выращивался постическому, в результате чего носители заселяют КТ с средством осаждения слоя InGaN средней толщины 3 нм.

большей энергией локализации.

В структуре B, в отличие от структуры A, данный Помимо КТ, в системе InGaN/GaN наблюдают также слой заращивался слоем InGaN с малым содержанинеоднородности более крупного масштаба, с характерем In при более высокой температуре, что приводит ¶ E-mail: Dsizov@pop.ioffe.rssi.ru к формированию КТ с большей энергией локализации.

Кинетика и неоднородная инжекция носителей в нанослоях InGaN Барьеры GaN толщиной 10 нм легировались Si. Активная область структур заращивалась слоем Al0.15Ga0.85Nтолщиной 20 нм и слоем GaN:Mg p-типа толщиной 250 нм.

Для исследования фотолюминесценции (ФЛ) при приложенном внешнем смещении на поверхность структур напылялся полупрозрачный контакт Ni/Au. ФЛ возбуждалась He–Cd-лазером с плотностью накачки 100 Вт/см2 и измерялась в режиме синхронного детектирования, что позволило исключить влияние постоянного излучения электролюминесценции (ЭЛ) при положительных смещениях. Фототок (ФТ) возбуждался при помощи газоразрядной ксеноновой лампы.

Рис. 2. Схема профиля зон исследованных светодиодных структур (при положительном смещении). Стрелками обозначено направление движения неравновесных носителей.

3. Результаты и обсуждение На рис. 1 представлены спектры ЭЛ, ФЛ и ФТ для двух исследованных структур. Сопоставление спектем больше, чем эффективнее локализация носителей на тров ЭЛ и ФТ показывает, что излучение структур проуровнях КТ. В структуре B, в отличие от структуры A, исходит из „хвоста“ плотности состояний, т. е. из облаприменялся режим роста, способствующий образованию стей, создающих локализацию носителей более сильную, областей, локально обогащенных по составу In в InGaN.

чем в среднем по слою. Такое поведение типично для Это приводит к образованию КТ с большей энергией лоструктур с КТ, и разница в энергиях между максимумом кализации носителей и большей дисперсией по составу излучения и максимумом плотности состояний, которая и размеру КТ, о чем свидетельствует большее значение может быть оценена по спектру ФТ (Стоксов сдвиг [10]), величины Стоксова сдвига в структуре B. Кроме того видно, что в структуре B пик ФЛ сдвинут относительно пика ЭЛ в коротковолновую сторону, в отличие от структуры A, где эта разница крайне мала.

Чтобы выяснить причину различия в положении максимумов пиков ФЛ и ЭЛ в структуре B, рассмотрим более подробно процесс инжекции носителей в активную область. На рис. 2 схематически изображены зонные диаграммы структур, исследованных в данной работе.

Поскольку барьеры активной области легировались донорной примесью, можно считать, что в отсутствие смещения уровень Ферми располагается вблизи локализованных уровней активной области. При приложении смещения зонная диаграмма активной области слабо смещается относительно уровня Ферми электронов, в то время как квазиуровень Ферми дырок смещается вниз, и при пересечении им потолка валентной зоны AlGaN, играющего роль инжекционного барьера, происходит инжекция дырок в активную область. В литературе также встречаются данные, свидетельствующие о значительном вкладе туннельного механизма инжекции в p-n-переходе [13,14], что связывается с крайне малыми концентрациями неосновных носителей в широкозонных полупроводниках. Экспериментальные данные, касающиеся этого эффекта, будут нами подробно рассмотрены в следующих работах. Отметим здесь, что незначительные флуктуации состава и полей упругих напряжений в активной области могут создавать значительные локальные искажения зонной диаграммы структуры. Это будет приводить к флуктуациям высоты инжекционного Рис. 1. Спектры ФТ (1), ФЛ (2) и ЭЛ (3): a —для струкбарьера. В случае, если данные флуктуации превосходят туры с высокой однородностью активной области и слабой характерную энергию kBT (где kB — постоянная Больцлокализацией носителей; b — для структуры с увеличенной мана), при однородном положении уровня Ферми вдали неоднородностью активной области, содержащей КТ с сильной от p-n-перехода, количество носителей, способных прелокализацией носителей. T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 266 Д.С. Сизов, В.С. Сизов, Е.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.В. Фомин, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов структуры с более глубоко локализованными уровнями в InGaN. Кроме того, такое различие в напряжениях смещения, необходимых для появления излучения, можно объяснить наличием туннельной инжекции. Туннельная инжекция более вероятна на более глубоко лежащие уровни, так как им соответствует большее число резонансных дырок p-области. Чтобы выявить роль неоднородностей инжекции и рекомбинации на спектральные характеристики излучения, обратимся к рис. 4, из которого видно влияние положительного смещения на спектры ФЛ структуры B. При положительном смещении на первом участке наблюдается длинноволновый сдвиг, который выходит на насыщение на участке два. Однако на третьем участке наблюдается вновь длинноволнвый сдвиг, который далее сменяется коротковолновым. ОбраРис. 3. Зависимости интенсивности ФЛ (1, 2) и ЭЛ (3, 4) от тим внимание на то, что для структуры A наблюдается приложенного внешнего смещения. 1, 3 — структура с высокой однородностью активной области; 2, 4 — структура с увеличенной неоднородностью активной области. Интенсивность ФЛ нормирована на 1 при нулевом внешнем смещении.

одолеть барьер в областях с меньшей высотой, будет во много раз больше, что приведет к инжекции носителей лишь в локальных областях структуры.

На рис. 3 показаны интенсивности ФЛ и ЭЛ рассматриваемых структур в зависимости от приложенного смещения. Для ФЛ можно выделить три участка.

Первый соответствует монотонному росту интенсивности с увеличением величины внешнего смещения. Эту зависимость мы интерпретируем следующим образом:

положительное смещение ослабляет поле p-n-перехода и уменьшает разделение неравновесных носителей, увеРис. 4. Зависимости положения максимумов ФЛ (1) и ЭЛ(2) личивая интенсивность излучения.

от приложенного внешнего смещения для структуры с увеВторой участок зависимостей, в интервале смещений личенной неоднородностью активной области. На вставке — выше 1.5 В, соответствует более слабому увеличению изменение спектра ФЛ в логарифмическом масштабе. Цифраинтенсивности ФЛ с увеличением смещения, а на струкми в рамках обозначены характерные участки на кривой (1) туре B увеличение интенсивности вообще прекращается.

и соответствующие им спектры.

Мы полагаем, что при таких смещениях разделяющее поле меняется слабо. При дальнейшем увеличении приложенного смещения (третий участок) вновь наблюдается увеличение интенсивности ФЛ. Если сопоставить рассмотренные зависимости с зависимостями интенсивности ЭЛ от смещения, видно, что третий участок соответствует началу излучения, вызванного электрической инжекцией. Не вдаваясь в детали механизма данной инжекции, можно сказать, что третий участок сопровождается инжекцией дырок (рожденных возбуждающим лазером в p-слое) в активную область. Таким образом, третий участок соответствует излучению, при котором доминирует рекомбинация носителей, не родившихся в активной области, а попавших посредством преодоления инжекционного барьера. Характерно, что у структуры A с более однородной активной областью и меньшей локализацией носителей третий участок начинается при больших смещениях (2.3 В), в то время как у структуРис. 5. Зависимости положения максимумов ФЛ (1) и ЭЛ(2) ры B этот участок начинается при 2 В. Это можно от приложенного внешнего смещения для структуры с высокой объяснить более низким инжекционным барьером у однородностью активной области.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Кинетика и неоднородная инжекция носителей в нанослоях InGaN принципиально иная зависимость (рис. 5): более слабый, увеличением приложенного смещения обусловлено слено монотонный длинноволновый сдвиг при положитель- дующими процессами: при увеличении смещения носиных смещениях. Изменение положения максимума при тели начинают инжектироваться не только в локальные области с повышенным средним составом In и длиной приложении смещения принято связывать с эффектом волны излучения, большей, чем в среднем по структуШтарка [15]. Мы полагаем, что в оценках данного эффекта необходимо учитывать возможность неодно- ре, но и в области с меньшим средним составом In, соответствующие более коротковолновому излучению.

родной инжекции носителей. Как мы видим из рис. 2, Концентрация КТ с меньшей энергией локализации и положительное смещение сопровождается увеличением большей энергией оптического перехода значительно интенсивности ФЛ, что связывается с уменьшением больше, чем концентрация КТ с большей глубиной разделяющего поля p-n-перехода. Однако из-за неоднолокализации, что видно из спектров ФТ, однако для родного распределения In при осаждении слоя InGaN инжекции носителей на эти уровни требуется большее формируется массив КТ с сильной дисперсией по разнапряжение смещения. В случае квазистатистического мерам и глубине локализующего потенциала. Помимо распределения носителей на уровнях КТ носители могут этого формируются области с характерным масштабом перераспределиться на эти менее локализованные уровпорядка микрона, в которых не только различна средняя ни, но с существенно большей концентрацией благодаря энергия локализации носителей в КТ, но и различтермическим выбросам. Тем не менее подавленный лано влияние положительного смещения на электроннотеральный транспорт носителей между различными КТ оптические свойства p-n-перехода. В результате этого препятствует этому процессу, создавая кинетические интенсивность ФЛ при увеличении положительного смезадержки данного статистического перераспределения.

щения возрастает не равномерно по всей структуре, а в Поэтому при малых смещениях наблюдается излучение отдельных выделенных областях. В то же время макситолько из областей, в которых локально осуществляется мум излучения соответствует излучению, усредненному инжекция носителей. Данные области характеризуются по всем областям, которые в общем случае излучают на меньшей энергией оптических переходов.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.