WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 4 Повышенная излучательная рекомбинация квантовых ям AlGaN, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии © Б.А. Борисов, С.Н. Никишин, В.В. Курятков, В.И. Кучинский¶, M. Holtz, H. Temkin Department of Electrical Engineering, Texas Tech University, Lubbock, TX 79409, USA Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 6 сентября 2005 г. Принята к печати 21 сентября 2005 г.) Исследованы зависимости интенсивности катодолюминесценции множественных квантовых ям Al0.55Ga0.45N/Al0.45Ga0.55N, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, от условий роста. Наблюдается увеличение почти на 2 порядка интенсивности пика катодолюминесценции с энергией 4.45 эВ при росте слоя квантовой ямы в режиме сильного обеднения по аммиаку. На картине дифракции быстрых электронов при этом появляется тенденция к режиму трехмерного роста, эффект интерпретируется в модели формирования квантовых точек AlGaN.

PACS: 78.67.De, 78.67.Hc, 81.15.Hi 1. Введение ям (МКЯ) Al0.55Ga0.45N/Al0.45Ga0.55N при переходе от 2D к 3D режиму роста слоя ямы. Это достигалось w Наметившийся в последние годы значительный про- уменьшением потока аммиака FNH во время роста 3 гресс в эпитаксиальном росте высококачественных сло- слоя ямы ниже минимального потока, при котором ев и гетероструктур на основе AlGaN при содержании возможен рост объемного материала такого же состава.

AlN больше 40% привел к созданию светодиодов (СД) с Полученные результаты объясняются с точки зрения излучением в дальней ультрафиолетовой области [1–6].

формирования КТ.

Однако, несмотря на достигнутую милливаттную мощность излучения и хорошие спектральные характеристи2. Эксперимент ки [5,6], внешний квантовый выход продолжает оставаться низким, 1%. Причина этого заключается в Исследованные в рамках данной работы структуры низком внутреннем квантовом выходе, обусловленном были выращены на сапфировых подложках с ориентаслабой эффективностью излучательной рекомбинации цией (0001) методом молекулярно-пучковой эпитаксии электронно-дырочных пар в широкозонных квантовых в установке Riber 32P с использованием NH3 в качестве ямах (КЯ) AlGaN и высокой плотностью прорастающих источника элемента V группы. Силан служил источдислокаций [5,7], являющихся сильным каналом безызником Si для легирования n-типа. Ростовой процесс in лучательной рекомбинации.

situ контролировался по дифракции быстрых электронов Один из путей повышения эффективности излучатель(ДБЭ). Ряд узлов установки был модифицирован для ной рекомбинации лежит в формировании квантовых обеспечения возможности работы в атмосфере аммиака точек (КТ). Например, высокий квантовый выход в в области высоких ростовых температур и больших СД на основе InGaN обусловлен именно КТ, образогазовых нагрузок. Измерения спектров катодолюминесванными областями с высоким содержанием InN [8].

ценции (CL) выращенных образцов производились при Эти области формируются из-за плохой растворимости комнатной температуре.

InN в GaN, приводящей к разделению фаз. Квантовые Были выращены две серии образцов, имеющих одинаточки могут быть получены при переходе от двумерного ковую активную область, но различный буферный слой.

(2D) к трехмерному (3D) режиму роста посредством Активная область включает в себя слой Al0.55Ga0.45N использования сурфактанта [9] или вследствие больших толщиной 70 нм, выращенный при температуре 820C, внутренних напряжений, вызванных несоответствием па5 пар слоев КЯ Al0.45Ga0.55N толщиной 2 нм и барьеров раметров кристаллических решеток GaN и AlN [10–12].

Al0.55Ga0.45N толщиной 5 нм. Температура роста МКЯ Вопрос формирования КТ AlGaN в литературе освещен изменялась в интервале 755–840C. Поток аммиака был значительно меньше. В [13] сообщается о КТ Alx Ga1-xN одинаковым при росте для всех барьерных слоев и на Al0.38Ga0.62N, полученных методом MOCVD низкого b составлял FNH = 20 sccm, что эквивалентно давлению давления с использованием Si в качестве сурфактанта.

на поверхности образца 1 · 10-5 Торр, тогда как во Однако образование КТ привело лишь к снижению время роста слоев ям для разных образцов поток амэффективности люминесценции.

w В данной работе получено увеличение интенсивно- миака менялся в интервале FNH = 4.5-15 sccm.1 Сверху активная область заканчивается слоем AlN толщисти катодолюминесценции множественных квантовых ¶ E-mail: vladimir@kuch.ioffe.ru sccm — standart cubic centimeter per minute.

Повышенная излучательная рекомбинация квантовых ям AlGaN, выращенных методом молекулярно... ной 10 нм. Перед началом роста буферного слоя поверхность сапфира нитридировалась при температуре 900C в течение 30 мин. В первой серии в качестве буфера использовался слой AlN толщиной 120 нм, выращенный при 860C. Все структуры в первой серии были нелегированными. Во второй серии буфер состоял из слоя AlN толщиной 50 нм и слоя Al0.65Ga0.35N толщиной 600 нм.

В этой серии часть структур были легированы кремнием и имели концентрацию электронов 1 · 1019 см-3, причем были легированы только барьерные слои. В обеих сериях перед началом роста МКЯ картина ДБЭ имела 2D характер и реконструкцию поверхности (1 1).

Рис. 2. Зависимость интенсивности катодолюминесценции 3. Результаты и обсуждение МКЯ (1) и объемного слоя (2) от потока NH3. На вставке — w спектр образца, выращенного при потоке FNH3 = 5.5 sccm и Проведенные исследования показали, что значительтемпературе T = 800C.

ное увеличение интенсивности катодолюминесценции может быть достигнуто при выращивании ямных слоев МКЯ в 3D режиме в условиях сильного обеднения азоw том. Этот режим достигался снижением потока NH3 до FNH > 7 sccm видны четкие линейные рефлексы, свидеуровня ниже, чем минимальный, при котором возможен тельствующие о 2D режиме роста (рис. 1, a). Уменьшеw рост объемного слоя требуемого состава. В условиях нание потока до значения FNH = 6.5 sccm приводит к появшего эксперимента минимальный возможный для роста лению тенденции к 3D росту, и на картине ДБЭ наряду толстого (> 100 нм) слоя Al0.45Ga0.55N поток составлял с линейными рефлексами появляются точки (рис. 1, b).

w w FNH = 7 sccm. Поверхность таких слоев, выращенных Дальнейшее уменьшение FNH еще больше усиливает 3D w w при FNH < 7 sccm, была покрыта каплями металла.

вид дифракционной картины (FNH = 5.5 sccm, рис. 1, c).

На рис. 1 показаны картины ДБЭ, снятые во время За время роста барьерного слоя картина ДБЭ полностью w роста слоя ямы при разных FNH. В области потоков возвращалась к исходному 2D виду.

Рост МКЯ в трехмерных условиях оказывает сильное влияние на катодолюминесценцию. На рис. 2 показана зависимость интенсивности катодолюминесценw ции от FNH для МКЯ, выращенных при температуре T = 800C. На этом же рисунке для сравнения приведена зависимость интенсивности от потока аммиака для толстых слоев Al0.45Ga0.55N. Видно, что интенсивность катодолюминесценции объемного материала мало изменяется в интервале допустимых ростовых потоков NH3, тогда как для МКЯ эта зависимость имеет довольно резкий характер. Максимальное значение интенсивность w достигает при FNH = 5.5 sccm, т. е. в области 3D режима роста. Диапазон потоков, в котором наблюдается интенсивная катодолюминесценция, составляет всего ±0.5 sccm. Характерный спектр катодолюминесценции w структуры МКЯ, выращенной при FNH = 5.5 sccm, приведен на вставке к рис. 2. В спектре присутствует только одна краевая линия с энергией 4.25 эВ. Излучение в длинноволновой области, обусловленное дефектами, полностью подавлено, что приводит к высокой эффективности краевой излучательной рекомбинации в МКЯ.

На рис. 3 приведены зависимости интенсивности, ширины и энергии пика катодолюминесценции от температуры роста для двух потоков аммиака — 5.и 6.5 sccm. Максимум интенсивности катодолюминесw ценции для FNH = 5.5 sccm находится при Tmax = 795C и сдвигается в область более высоких ростовых темпеРис. 1. Картина ДБЭ во время роста слоя ямы при различных w ратур до Tmax = 810C с увеличением потока до 6.5 sccm потоках аммиака FNH3, sccm: a — 15, b — 6.5, c — 5.5.

Температура роста T = 800C. (рис. 3, a). При этих же температурах достигается миФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 462 Б.А. Борисов, С.Н. Никишин, В.В. Курятков, В.И. Кучинский, M. Holtz, H. Temkin поведение, не могут быть объяснены с точки зрения изменения параметров КЯ. Например, если предположить, что коротковолновый сдвиг 330 мэВ вызван изменением ширины и состава ямы за счет увеличения испарения Ga с возрастанием температуры от 790 до 820C [14,15], то для этого, как показывают расчеты, ширина ямы должна быть меньше в 2 раза. Однако в условиях нашего эксперимента, согласно [15], скорость десорбции GaN составляет 2 нм/ч, что дает ничтожные изменения толщины и состава. Далее, хорошо известно, что в IIIнитридах излучательная рекомбинация в КЯ подавлена за счет квантово-размерного эффекта Штарка (QCSE).

Однако его влияние на эффективность излучения наиболее сильно в широких ямах, и для объяснения сильного возрастания интенсивности опять требуется значительное изменение ширины ямы [16,17].

w Переход от 2D к 3D картине ДБЭ при FNH < 7 sccm свидетельствует об образовании трехмерных островков на поверхности во время роста слоя ямы. Эти островки приводят к появлению пространственных флуктуаций потенциала — к образованию квантовых точек [9–12].

Во время роста барьера поверхность сглаживается, и картина ДБЭ быстро возвращается к исходному 2D виду. Таким образом, КТ оказываются заключенными в пределах одной ямы. Именно образование КТ приводит к сильному возрастанию интенсивности катодолюминесценции [8,10,11]. При температуре роста 790-800C и w потоке FNH = 5.5 sccm создаются условия для формирования ансамбля КТ с оптимальными размерами. При этих же ростовых условиях достигается минимальная величина FWHM пика катодолюминесценции, составляющая 170 мэВ. Таким образом, при росте в оптимальных условиях происходит также некоторое упорядочение КТ по размерам. Следует отметить, что даже в минимуме FWHM довольно велика, что обычно имеет место в Рис. 3. Зависимость относительной интенсивности (a), ширилюминесценции КТ [11] и объясняется разбросом разна линии FWHM (b) и энергии пика (c) катодолюминесценции меров КТ.

w МКЯ от температуры роста. FNH3, sccm: 1 —5.5, 2 —6.5.

Характерной чертой III-нитридов является наличие большой спонтанной и пьезоэлектрической поляризации, приводящей к сильным электрическим полям в нимальная ширина пика катодолюминесценции (FWHM) (рис. 3, b). Величина FWHM хорошо коррелирует с интенсивностью — чем выше интенсивность, тем уже пик катодолюминесценции. Ростовая температура оказывает влияние и на энергию пика (рис. 3, c). Как видно из рисунка, эта зависимость тоже имеет экстремальный характер, и минимальные значения энергии пика катодолюминесценции находятся при тех же температурах, что и максимумы интенсивности. Для образцов, выраw щенных при FNH = 5.5 sccm, увеличение температуры роста от 790 до 820C сдвигает пик в коротковолновую w область на 330 мэВ. При FNH = 6.5 sccm температурная зависимость положения пика значительно слабее.

Перечисленные выше особенности катодолюминесценции МКЯ, а именно резкое возрастание эффекРис. 4. Влияние легирования кремнием на спектр катодолютивности излучения, большой коротковолновый сдвиг минесценции МКЯ: 1 — нелегированный образец, 2 — легипри увеличении ростовой температуры и экстремальное рованный образец с концентрацией электронов 1 · 1019 см-3.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Повышенная излучательная рекомбинация квантовых ям AlGaN, выращенных методом молекулярно... области гетеропереходов. В этом случае имеет место [3] S.A. Nikishin, V.V. Kuryatkov, A. Chandolu, B.A. Borisov, G.D. Kipshidze, I. Ahmad, M. Holtz, H. Temkin. Jap. J. Appl.

QCSE, приводящий не только к уменьшению излучаPhys., 42, L1362 (2003).

тельной рекомбинации, но и к значительному смеще[4] K. Mayes, A. Yasan, R. McClintock, D. Shiell, S.R. Darvish, нию спектра люминесценции в длинноволновую область.

P. Kung, M. Razeghi. Appl. Phys. Lett., 84, 1046 (2004).

Свободные носители, созданные в результате оптической [5] A.J. Fischer, A.A. Allerman, M.H. Crawford, K.H.A. Bogart, генерации или легирования, экранируют электрическое S.R. Lee, R.J. Kaplar, W.W. Chow, S.R. Kurtz, K.W. Fullmer, поле и уменьшают влияние QCSE [17]. На рис. J.J. Figiel. Appl. Phys. Lett., 84, 3394 (2004).

показаны спектры катодолюминесценции двух образцов [6] V. Adivarahan, S. Wu, J.P. Zhang, A. Chitnis, M. Shatalov, из второй серии, один из которых — нелегированный, V. Mandavilli, R. Gaska, M.A. Khan. Appl. Phys. Lett., 84, а другой легирован кремнием до концентрации элек4762 (2004).

тронов 1 · 1019 см-3. Следует отметить, что в спектре [7] И.П. Сошников, Н.Н. Леденцов, А.Ф. Цацульников, легированного образца кроме пика краевой люминесА.В. Сахаров, В.В. Лундин, Е. Заварин, А.В. Фомин, ценции КЯ присутствует широкий пик с максимумом D. Litvinov, D. Hahn, D. Gerthsen. ФТП, 39 (1), 112 (2005).

при энергии 3.8 эВ. Этот пик относится к буферному [8] S. Nakamura, G. Fasol. The Blue Laser Diode (Springer, слою и всегда наблюдается в AlGaN, легированном Berlin, 1997).

[9] S. Tanaka, S. Iwai, Y. Aoyagi. Appl. Phys. Lett., 69, кремнием. Пик краевой люминесценции легированного (1996).

образца имеет в 2 раза выше интенсивность и сдвинут [10] B. Daudin, F. Widmann, G. Feuillet, Y. Samson, M. Arlery, на 140 мэВ относительно пика нелегированного образца.

J.L. Rouviere. Phys. Rev. B, 56, R7069 (1997).

Это совершенно ясно показывает влияние легирова[11] F. Widmann, B. Daudin, G. Feuillet, Y. Samson, J.L. Rouvie’re, ния на QCSE в КТ. Согласно [17], уровень легироваN. Pelekanos. J. Appl. Phys., 83, 7618 (1998).

ния 1 · 1019 см-3 достаточен для полного экранирова[12] G. Salviati, F. Rossi, N. Armani, V. Grillo, O. Martinez, ния электрического поля и устранения влияния QCSE.

A. Vinattieri, B. Damilano, A. Matsuse, N. Grandjean. J. Phys.:

Таким образом, наблюдаемый в нашем случае сдвиг Condens. Matter, 16, S115 (2004).

140 мэВ должен соответствовать предельному сдвигу [13] H. Hirayama, Y. Aoyagi, S. Tanaka. MRS Internet J. Nitride люминесценции КТ за счет QCSE. Для грубой оценки Semicond. Res., 4S1, G9.4 (1999).

величины QCSE воспользуемся расчетами, выполненны[14] A.N. Alexeev, B.A. Borisov, V.P. Chaly, D.M. Demidov, ми в [17]. В предположении, что КТ имеет плоскую A.L. Dudin, D.M. Krasovitsky, Yu.V. Pogorelsky, A.P. Shkurгеометрию, линейная интерполяция данных для КЯ ko, I.A. Sokolov, M.V. Stepanov, A.L. TerMartirosyan. MRS Internet J. Nitride Semicond. Res., 4, 6 (1999).

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.