WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

связанными более широкими пиками, которые в литера- Важно подчеркнуть, что для сплава с x = 0.04 излучение туре интерпретируются как донорно-акцепторый пере- с максимумом при 2.1 eV появляется только после ход и его фононная реплика [8]. Для аморфной фазы высокотемпературного отжига. До отжига наблюдается как собственного, так и легированного Zn материала слабый максимум при 2.4 eV (см. вставку на рис. 2). Для выделить тонкую структуру невозможно. Факт потери сплава с x = 0.16 отжиг увеличивает интенсивность ФЛ такой структуры является принципиальным следствием более чем на порядок. В результате интенсивность ФЛ аморфизации. Размытие распределения электронных со- сплава почти на два порядка превышает интенсивность стояний вблизи края зоны вследствие разупорядочения ФЛ собственного образца a-GaN. При прямом визуальструктуры слишком велико, что и приводит к значитель- ном наблюдении ФЛ сплава с x = 0.16 при мощности ному по интенсивности, плавно затянутому в область возбуждения 3 mW трудно отличима от белого свечения низких энергий спектру ФЛ. Можно даже представить микролампочки накаливания. Заметим здесь, что отжиг наблюдаемый спектр ФЛ, точнее его высокоэнергетиче- аморфных пленок GaN также приводит к усилению ское крыло, как остаточный след тонкой структуры ФЛ ФЛ в низкоэнергетической (2.3-2.0eV) области, свякристалла, размытый до такой степени, что все детали зываемому с излучением собственных дефектов, однако теряются. При этом интегральная яркость ФЛ остается интенсивность этой ФЛ никогда не достигает такого высокой, так как состояния хвоста зоны являются сильно высокого уровня.

локализованными и удерживают электроны от миграции Другой новой особенностью ФЛ сплавов с индием к каналам безызлучательной рекомбинации. Это фун- является значительное увеличение времени спада ФЛ даментальное свойство аморфной структуры приводит после снятия возбуждения ( достигает 50 µs). Для к резкому ослаблению или даже полному отсутствию a-nc-GaN время спада ФЛ мало и не разрешается нашей температурного гашения ФЛ. Этот эффект представля- аппаратурой. Наконец, для сплавов с индием наблюдаетется особенно важным для приложений, так как делает ся заметное температурное гашение ФЛ (достигающее a-nc-GaN материалом, эффективно излучающим при 4-х раз) в интервале 77-333 K.

комнатных температурах. Вся совокупность экспериментальных данных застав3) Все выше сказанное для собственного GaN можно ляет предполагать, что в данном случае мы сталкиваемотнести и к материалу, легированному Zn. Цинк в c-GaN ся с новым явлением. Основания для таких предполообычно формирует широкий и яркий пик голубого жений состоят в следующем. В определенной области излучения ( 450 nm). В аморфной матрице этот пик значений x в системе сплавов Inx Ga1-xN имеет место трудно увидеть, так как он, во-первых, существенно явление несмешиваемости компонентов (InN и GaN) уширен, а во-вторых, маскируется затянутым краевым или фазовый распад — эвтектического типа разделение излучением. Из сравнения данных для собственного вещества по составу [9,10]. В результате такого раси легированного материалов становится ясно, что вве- пада возникают структурные образования — „капли“ дение примеси Zn „интенсифицирует“ высоко энергети- (или островки), более обогащенные In, чем основная ческое крыло ФЛ примерно на порядок величины. Это матрица, в которую эти островки включены. В термоозначает, что Zn существенно не разрушает структур- динамически равновесном случае состав „капель“ долную сетку GaN и соответственно не вносит дефектов. жен соответствовать InN, обогащенному Ga в пределе Это возможно, если цинк замещает галлий в узельных растворимости, а состав матрицы — GaN, обогащенпозициях. В этом случае, будучи элементом второй ному In также в пределе растворимости. Поскольку группы, он выполняет роль акцептора и стимулирует ширина запрещенной зоны (Eg) для таких „капель“ донорно-акцепторные переходы, что и ведет к увеличе- меньше, чем Eg матрицы, „каплям“ в энергетической нию яркости ФЛ. картине сплавов следует сопоставить глубокие потен4) Отжиги при T = 650C снижают эффективность циальные ямы ( 0.5 eV как для электронов, так и для излучения высокоэнергетического крыла ФЛ. Из этого дырок). Потенциальные ямы являются точками стока факта следует, что отжиги разрушают непрерывную для неравновесных электронов, возбуждаемых лазером аморфную сетку и вносят дефекты, однако не в такой с h >Eg матрицы, поэтому излучательная рекомбистепени, чтобы формирующиеся нанокристаллы GaN нация в основном должна протекать в таких ямах, стали играть сколько-нибудь заметную роль в лю- т. е. в пределах „капель-островков“ InN. Поскольку Eg минесцентном излучении. Следовательно, собственная InN 2.0 eV, максимум ФЛ позиционируется при этом и обусловленная цинком ФЛ является исключительным значении. В пользу модели фазового распада и генесвойством аморфной матрицы. рации „капель“ InN свидетельствует и тот факт, что Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Собственная и активированная примесями Zn, Ce, Tb, Er, Sm и Eu фотолюминесценция... сплавы разного состава (x = 0.04 и 0.16) после отжига ные переходы в ионах РЗМ могут быть осуществледают одну и ту же позицию максимума ФЛ. Различие ны в пределах замкнутой электронной оболочки 4 f, в этих двух случаях состоит в плотности „капель“. которая экранирована внешней 5s25p6-оболочкой от Для x = 0.04 эта плотность должна быть меньше и ФЛ матрицы. В результате переходы 4 f -4 f формируют узкие линии люминесценции с шириной 5-15 nm, слабее, что и наблюдается экспериментально. Возможно, = что „капли“ InN обусловливают и дополнительное по- позиция которых в первом приближении является температурно-независимой. Эффективная люминесценглощение света в области малых энергий (рис. 2). Такой ция с РЗМ-примесей может быть получена только при же эффект отжига был замечен и в случае c-InGaN [11].

определенных условиях: 1) квантовые правила запреИз кривой плотности состояний аморфного GaN [12] та на электронные переходы в пределах замкнутой следует, что энергетическая щель в „капле“ InN соотэлектронной оболочки должны быть хотя бы частично ветствует минимальной плотности состояний в запресняты; 2) должны существовать достаточно эффективщенном зазоре матрицы GaN. Это приводит к тому, ные пути переноса энергии возбуждения от матрицы что излучательная рекомбинация через „капли“ InN к РЗМ-ионам; 3) концентрация оптически активных ценпроисходит практически без потерь, что и объясняет тров должна быть высокой.

высокую яркость излучения.

Частичного снятия правил запрета на внутриценТемпературное гашение, по-видимому, обусловлено тровые 4 f -переходы удается достичь путем подбора переносом при высоких температурах части неравнеобходимой симметрии и силы кристаллического поля, новесных носителей в безызлучательные каналы рев которое помещается ион РЗМ в матрице. Кристалкомбинации.

лическое поле осуществляет штарковское расщепление Увеличение времени спада ФЛ, т. е. большое время энергетических уровней оболочки 4 f и, как следствие жизни в ямах, может быть связано с относительно больэтого, производит слабое смешивание волновых функшим размером „капель“ InN (за пределом требований ций набора 4 f -мультиплетов, что и ведет к частичному квантового ограничения). В этом случае возмущением ослаблению правил запрета. Само кристаллическое попотенциала дна ямы структурным разупорядочением ле создается электроотрицательными ионами анионной уже нельзя пренебречь. Соотношение для времени жизподрешетки (лигандами). Ион азота по степени электрони излучательной рекомбинации для прямых переходов отрицательности является вторым после кислорода. По становится неприменимым. Предположительно оптичеэтой причине можно полагать, что матрицы с азотной ские переходы должны быть непрямыми бесфононныанионной подрешеткой в принципе должны формировать ми [13]. Теоретический анализ времени излучения для сильное кристаллическое поле. Вопрос симметрии поля таких переходов еще не выполнен, однако качественно лигандов, в частности требование отсутствия центра можно представить следующую физическую картину.

инверсии, крайне важен для снятия правил запрета.

В результате синхронной деформации (изгиба) краев Проблему симметрии кристаллического поля в какой-то зоны проводимости и валентной зоны вследствие флукстепени можно решать посредством выбора матрицы туаций силового поля следует со всей очевидностью с соответствующей структурой и подбором технологиожидать, что электрон и дырка будут разделяться в проческих условий, влияющих на размещение РЗМ-ионов странстве в пределах ямы. Это должно понизить вероятв требуемой позиции. Так, метод легирования, последуность излучательной аннигиляции электронно-дырочной ющий отжиг могут создать благоприятные условия для пары, захваченной каплей InN. Соответственно растет катионного замещения или межузельного положения время затухания ФЛ. Ситуация в какой-то степени аналопримеси. Можно также изменить ионное окружение гична процессу донорно-акцепторной рекомбинации на вокруг примесного атома посредством кодопирования компактных парах примесных центров, хорошо изучендругими анионами, например кислородом.

ному в полупроводниках [14]. Параметры этого проНаконец, чтобы достичь высокой концентрации прицесса — времена излучения и температурное гашение меси, нужно повлиять на процесс растворимости. Это (см., например, [15]) — очень близки к наблюдаемым можно осуществить, например, при аморфизации матв настоящей работе.

рицы. В аморфной структуре вследствие отсутствия Гетерогенная модель „капель“ InN в GaN очевидно жестких требований к структурной организации, наклатребует дополнительных подтверждений; здесь она расдываемых дальним порядком в кристаллах, растворисмотрена как вероятная.

мость инородных атомов всегда выше. Но увеличение концентрации примеси имеет свои пределы, поскольку избыточная плотность примесных центров может 4. РЗМ-примеси Ce, Tb, Er, Sm, Eu привести к концентрационному тушению вследствие их в матрице a-nc-GaN взаимодействия.

Весь комплекс поставленных выше проблем решался РЗМ-примеси образуют качественно новый класс из- в настоящей работе при введении в a-nc-GaN таких лучательных центров в полупроводниковых матрицах. РЗМ, как Ce, Tb, Er, Sm и Eu. Эти РЗМ были выбраны Специфика этих центров состоит в том, что излучатель- с целью получения излучения в различных областях Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 400 А.А. Андреев правилами запрета и, следовательно, имеющим более медленную кинетику спада f - f -переходам. Спектры излучения однозначно идентифицируются как спектры трехвалентных ионов РЗМ [16].

Наиболее высокоэнергетические пики ФЛ (и 450 nm) свойственны Ce3+ и соответствуют переходам 2 2 D(5d) F5/2, F7/2(4 f ). Ce3+ является единственным в ряду РЗМ-ионом, имеющим в качестве основных межоболочечные d- f -переходы. В свободном ионе эти пе реходы соответствуют 320-340 nm. Смещение в об= ласть меньших энергий и относительно большая ширина пиков ( = 40 nm) связаны, скорее всего, с высокой плотностью примеси церия в матрице и с взаимодействием ионов, не ведущим, однако, к концентрационному гашению. Эффект понижения энергии d- f -переходов при высокой плотности церия наблюдался и ранее в полупроводниковых матрицах A2B6 [17] или в CeF2, где Ce составляет основу вещества. Следует также заметить, что влияние Ce на увеличение яркости высокоэнергетического крыла ФЛ a-nc-GaN даже сильнее, чем влияние примеси замещения Zn. Можно полагать, что Ce внедряется в структурную сетку GaN, не разрушая ее. Это в принципе возможно, если трехвалентный церий замещает галлий. При этом не возникает проблемы компенсации заряда, что также повышает интенсивность ФЛ.

Важно и то, что переходы 5d-4 f в Ce3+ происходят между разными электронными оболочками и, следовательно, являются разрешенными. Это обстоятельство Рис. 4. Спектры видимой фотолюминесценции РЗМ-примесей не выдвигает дополнительных требований к симметрии в матрице a-nc-GaN. Спектры нормированы по пику максиполя лигандов.

мальной интенсивности для каждого РЗМ-иона.

Главный пик ( = 10 nm) спектра Tb3+ попадает в зеленую область (545-550 nm); спектр содержит также ряд хорошо наблюдаемых пиков-сателлитов значительвидимого спектра: Ce — в сине-голубой, Tb и Er — в зено меньшей интенсивности и обусловлен переходаленой, Eu и Sm — в красной и красно-оранжевой. После ми внутри 4 f -оболочки между нижним невозбужденподбора чисто экспериментальным путем оптимальной ным состоянием 5D-мультиплета D4 и состояниями концентрации и, если в этом была необходимость, 4F-мултиплета F6,5,4,3 (490, 545, 585 и 620 nm соотпроведения оптической активации посредством отжигов ветственно). Внутрицентровые переходы в Tb3+ остав различной атмосфере (вакуум, азот, азот–кислород), ются частично „призакрытыми“ и имеют время жизкумулятивного отжига (многоступенчатого отжига с по- ни 500 µs.

следовательным ростом температуры) или использоваОсновной по интенсивности пик ФЛ Eu3+ ния вариации параметров ростового процесса и введения позиционирован в красной области — 612 nm 5 сенсибилизирующих добавок удалось получить яркость ( = 10 nm) — и обусловлен переходом D0 F2, ФЛ, достаточную для наблюдения невооруженным гла- имеющим 200 µs. Экспериментально обнаружено, зом, при возбуждении матрицы фотонами с энергией что интенсивность оптических переходов как для Tb3+, выше края зоны и средней мощности лазера 3 mW.

так и для Eu3+ не критична к процессу отжига. Отсюда Нормированные спектры излучения приведены на рис. 4. следует, что позиции ионов с симметрией лигандного Для всех спектров с применением метода разложения поля, обеспечивающей оптическую активность ионов, спектра по гауссовским функциям выполнено вычитание формируются уже в процессе роста пленок.

широкополосной ФЛ собственно матрицы. Если соб- Для ионов Er3+ ситуация резко отличается. Оптичественная ФЛ существенно искажала спектр РЗМ-иона, ская активность иона достигается только в результавыполнялись измерения с разрешением по времени, т. е.

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.