WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 5 Фононная люминесценция экситонов в слоях GaN, выращенных методами молекулярно-пучковой и хлорид-гидридной газофазной эпитаксии ¶ © М.Г. Ткачман, Т.В. Шубина, В.Н. Жмерик, С.В. Иванов, П.С. Копьев, Т. Паскова, Б. Монемар Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Университет г. Линчепинга, Отделение физики и экспериментальной технологии, S-581 83 Линчепинг, Швеция (Получена 9 сентября 2002 г. Принята к печати 11 сентября 2002 г.) Представлены результаты сравнительного анализа качества эпитаксиальных слоев GaN, выращенных методами молекулярно-пучковой и хлорид-гидридной газофазной эпитаксии. Спектры фотолюминесценции слоев обоих типов носят экситонный характер. Для точного определения природы экситонных переходов были сняты спектры отражения. Акцент работы сделан на исследовании экситонной люминесценции с участием фононов, что дает информацию о плотности распределения экситонных состояний. Исследованы температурные зависимости энергий экситонных переходов и отношения интенсивностей первой и второй фононных реплик. Выполненные исследовaния показали хорошее качество обоих типов слоев GaN, хотя в слоях, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, присутствует большее количество примесей акцепторного типа.

1. Введение ных подложек для роста наноструктур, и молекулярнопучковой эпитаксии (МПЭ), как базовых для роста В настоящее время интенсивно ведутся исследова- наноструктур. Исследовались спектры фотолюминесценния полупроводниковых соединений нитридов третьей ции и отражения. В частности, изучалась форма линий группы. Эти материалы имеют прямую структуру зон однофононной и двухфононной люминесценции свободс шириной запрещенной зоны от 6.2 эВ (AlN) до ного A-экситона, относительная интенсивность 1LO- и 1.9 эВ (InN) или ниже, что позволяет их использовать 2LO-реплик.

в различных оптоэлектронных приборах (прежде всего коротковолновых).

2. Исследуемые структуры Как известно, оптические свойства полупроводников и эксперимент во многом определяются поведением экситонов в материале, включая рассеяние на структурных неодноИсследования проводились на образцах двух типов.

родностях (примесях, дефектах) и элементарных возТолстый слой GaN ( 25 мкм) был выращен метобуждениях (фононах и др.). Экспериментальные и тедом ХГФЭ при температуре 1090C на подложке оретические исследования [1,2] показали, что в полярAl2O3 (0001) [4]. Второй образец, толщиной 0.7мкм, ных полупроводниках с прямыми переходами экситобыл выращен методом МПЭ с плазменной активацией ны взаимодействуют в основном с продольными оптипри температуре 650C также на подложке Al2O3 (0001), ческими фононами (LO-фононами). Среди излучательбез буфера [5]. Первичная характеризация структур проных процессов, обусловленных взаимодействием экситоводилась методами рентгеновской дифрактометрии (РД), нов с LO-фононами, следует отметить люминесценцию просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и свободных экситонов с одновременным возбуждением сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

фононов. Основная особенность спектральных линий, Спектры фотолюминесценции (ФЛ) и отражения ресоответствующих этому процессу, состоит в том, что гистрировались в гелиевом криостате замкнутого циких форма отражает распределение свободных экситонов ла при температуре 15 K. Температурные зависимопо кинетическим энергиям, что позволяет получать сти спектров ФЛ снимались в диапазоне температур информацию о плотности распределения экситонных 15–280 K. В качестве источника возбуждения люмисостояний в структурах различного качества [1,3].

несценции использовался He–Cd-лазер с длиной волны Оптические процессы с участием фононов подробно возбуждения 325 нм. Для измерения спектров отражения изучены для таких полярных полупроводников как CdS, использовалась ксеноновая лампа.

CdSe, ZnO, Cu2O [1–3], тогда как некоторые особенности экситон-фононного взаимодействия в широкозонных нитридах нуждаются в дополнительном исследовании.

3. Результаты и обсуждение В данной работе проведен сравнительный анализ качества слоев GaN, выращенных методами хлорид-гидПервичная характеризация показала хорошее качеридной газофазной эпитаксии (ХГФЭ), как перспективство толстого ХГФЭ GaN. По данным ПЭМ, плот¶ E-mail: masha@beam.ioffe.rssi.ru ность дислокаций в приповерхностном слое образца Фононная люминесценция экситонов в слоях GaN, выращенных методами молекулярно-пучковой... опубликованными результатами [7,8] при температурах выше 50 K в спектрах становится доминантной линия свободного А-экситона, а интенсивность основной DBE линии падает. Теоретическая подгонка температурных зависимостей хода энергетических уровней экситонов (рис. 2, a, b) производилась с использование аналитической модели Паслера (Pssler) [9], хорошо описывающей ход энергетических уровней с температурой для гомоэпитаксиальных слоев GaN [10], p p E(T ) =E(0) 2 2 4T 4T 1 + + - 2 6 p Qp p +(1 - ) cth - 1, (1) 2T Рис. 1. Спектры фотолюминесценции (1) и отражения (2) для где E(0) — энергия основного перехода при T = 0K, ХГФЭ слоя GaN (a) и МПЭ GaN (b), снятые при температуре p — высокотемпературный наклон зависимости E(T ), T = 13 K.

параметр 0 определяет вклад в процесс длинноволновых акустических фононов, тогда как (1 - ) определяет взаимодействие с оптическими и коротковолне превышает 108 cм-2. При комнатной температуре новыми акустическими фононами; определяется чеp слой испытывает двухосное сжимающее напряжение рез температуру Дебая как 2/3 /(1 - 1/2).

D p D 0.2 ГПа. По данным РД, структура продемонстриПараметр имеет ключевую роль в данной модели, ровала рекордно малое отклонение колонок от оси поскольку задает изменение кривизны подгоночной крироста c (полуширина -кривой качания в геометрии вой, тогда как наклон и точка пересечения высоко- и Брэгга 62 угл.с). Структурная характеризация тонкого низкотемпературных асимптот фиксированы.

МПЭ GaN также показала удовлетворительное качество слоя. Зарегистрированные средние значения плотности вертикальных винтовых (108 см-2) и краевых (1010см-2) дислокаций, определенные по результатам РД, близки к значениям, полученным для толстого слоя.

На рис. 1, a представлен спектр ФЛ толстого слоя ХГФЭ GaN, cнятый при температуре T = 13 K. Для точной атрибутации линий ФЛ был снят спектр отражения с поверхности. В спектре отчетливо видны экситонные особенности, энергетические расстояния между которыми хорошо согласуются с известными значениями энергий свободных экситонов в GaN [6]. При низкой температуре в спектре ФЛ доминирует линия люминесценции экситона, связанного на доноре (DBE). Низкоэнергетическое плечо линии DBE относится к экситону, связанному на акцепторе (АВЕ). Хорошо разрешимы линии излучения свободных A (FEA)- и B (FEB)-экситонов. В спектре ФЛ для тонкого слоя МПЭ GaN (рис.1, b) также доминирует основная линия экситона, связанного на доноре. Кроме того, присутствует плечо от свободного А-экситона. Наблюдаемые резонансные энергии излучения А-экситона для ХГФЭ и МПЭ GaN Рис. 2. Температурные зависимости энергий экситонных 3.4810 и 3.4820 эВ соответственно, указывают на то, переходов для ХГФЭ слоя GaN (a) и МПЭ GaN (b). 1 —экспечто МПЭ слой более напряженный. Однако наличие риментальная зависимость для линии экситона, связанного на экситонных особенностей в спектрах МПЭ GaN говорит доноре (DBE), 2 — энергетические значения линии свободного об удовлетворительном качестве образца.

А-экситона (FEA), 3 — энергии линии свободного В-экситона Нами были сняты температурные зависимости спек- (FEB). Линиями показаны результаты подгонки, выполненной тров ФЛ для обоих образцов. В соответствии с ранее с использованием аналитической модели Паслера.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 554 М.Г. Ткачман, Т.В. Шубина, В.Н. Жмерик, С.В. Иванов, П.С. Копьев, Т. Паскова, Б. Монемар Удовлетворительная подгонка хода температурных за- формы спектров фононной люминесценции дает прявисимостей энергий линии свободного А-экситона (FEA) мую информацию о реальной плотности экситонных для исследуемых слоев была получена при одном и состояний, механизмах рассеяния экситонов (наличии и том же значении параметра = 420 K и разных на- распределении примесей и т. п.) в образцах. Однако разp клонах p: 0.42 для ХГФЭ GaN и 0.29 для МПЭ GaN. личие законов сохранения импульса для однофононного и двухфононного процессов приводит к существенному Также различны были значения параметра : 0.3 для различию формы спектров для 1LO- и 2LO-процессов.

ХГФЭ GaN и 0.4 для МПЭ GaN. Отмеченное отличие в параметрах, описывающих экситон-фононное взаимо- Действительно, в процессе однофононной люминесцендействие, указывает на различный механизм взаимодей- ции экситона с импульсом kex импульс рождаемого фонона может иметь только одно значение k kex, ствия с фононами в наших образцах, что и повлекло за f тогда как для двухфононного процесса закон сохранения собой исследование спектров фононной ФЛ.

импульса выглядит как kex = k f + k f. При этом он В спектрах ФЛ изучаемых слоев хорошо разрешиможет выполняться многими способами, и импульcы k f мы 1LO- и 2LO-фононные реплики от линии люмии k f могут принимать различные значения. В работе [3] несценции свободного А-экситона. Также в спектрах подробно показано и подтверждено экспериментальприсутствуют фононные реплики АВЕ и DBE экситонов но, что форма линии двухфононной люминесценции (рис. 1). Энергетические положения фононных реплик хорошо описывается максвелловским распределением полностью согласуются с известным значением энергии I E1/2 exp(-E/kT), т. е. вероятность W2 не зависит от оптического фонона для GaN ( 92 мэВ). В спектрах энергии экситона и примерно одинакова для разных ФЛ 1LO-реплика от АВЕ хорошо разрешима, а интенэкситонов, а в спектре проявляется только распредесивность однофононной люминесценции DBE, по сравление кинетических энергий экситонов. Вероятность нению с ней, очень мала. Соотношение интенсивностей однофононного процесса W1 E (или k2), и форма вторых фононных реплик от этих линий прямо пролинии однофононной люминесценции описывается вытивоположное. Возгорается вторая фононная реплика ражением I E3/2 exp(-E/kT). Таким образом, именно от DBE, а интенсивность 2LO-реплики от АВЕ падает.

форма линии первого фононного повторения в спекТакой эффект уже был отмечен ранее [11,12] и объяснен трах экситонной люминесценции содержит информацию разницей в радиусах волновых функций экситона, свяо механизмах рассеяния экситонов в кристалле. Ранее занного на доноре и на акцепторе. Учитывая, что для в работах [14,15] эти результаты были получены теоре1LO-реплики существуют „строгие“ правила отбора по тически.

импульсу [3] (подробнее об этом будет сказано далее), Мы исследовали форму первых фононных повторений это обстоятельство приводит к малой интенсивности линий люминесценции свободного А-экситона для обоих однофононной люминесценции экситона, связанного на типов слоев GaN (рис. 3). При рассмотрении спектров доноре. Что касается двухфононной люминесценции, то, поскольку этот процесс может быть реализован многими способами, фактор много большей плотности собственных доноров в материале (n 1017 см-3) становится доминантным и возгорается двухфононная люминесценция DBE экситона.

В процессе излучательной рекомбинации экситонов с участием фононов непосредственно проявляется кинетическая энергия экситонов. Форма линий фононных реплик отражает максвелловское распределение экситонов по кинетическим энергиям. В случае существования теплового равновесия в системе экситонов спектральная форма линии экситон-фононной люминесценции хорошо описывается максвелловским распределением [3] ILO (dN(k)/N)Wm(k) E1/2 exp(-E/kBT )Wm(E), (2) m где ILO — интенсивность соответствующей фононной m реплики, m — число фононов, участвующих в процессе, E — кинетическая энергия экситона, N — плотность экситонных состояний, Wm(k, E) — вероятность экситон-фононного излучения порядка m для экситоРис. 3. Спектры люминесценции 1LO-реплики свободного на с кинетической энергией E [1,3]. Если рассматА-экситона для МПЭ GaN (T = 64 K) (a) и ХГФЭ GaN ривать однофононный и двухфононный процессы, то, (T = 68 K) (b). Ромбы — экспериментальные спектры для вследствие различия закона сохранения квазиимпульса обоих типов слоев. 1 — зависимость I E3/2 exp(-E/kT), для этих процессов, форма их спектров существенно 2 — разложение экспериментального спектра на 2 контура.

различается. Было показано [3,13], что исследование Для разложения были использованы кривые Лоренца.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фононная люминесценция экситонов в слоях GaN, выращенных методами молекулярно-пучковой... ных интенсивностей в зависимости от температуры [3]:

S = I1LO/I2LO T, (3) где I1LO и I2LO — интегральные интенсивности линий одно- и двухфононного процесса.

На рис. 4 представлены температурные зависимости отношения интенсивностей 1LO- и 2LO-линии для ХГФЭ и МПЭ образцов GaN. Видно, что для обоих слоев отношение интенсивностей фононных реплик линейно растет с температурой. Однако отношение интенсивностей LO-фононных реплик для МПЭ слоя растет с температурой быстрее. Как было показано [1,13], это иллюстрирует тот факт, что в излучательную рекомбинацию экситонов существенный вклад дает рассеяние на примесях и собственных дефектах, концентрация которых в МПЭ слое была выше.

Рис. 4. Температурные зависимости отношения интенсивностей 2LO- и 1LO-реплик свободного А-экситона для МПЭ (2) 4. Заключение и ХГФЭ(1) слоев GaN. Экспериментальные данные для МПЭ GaN сдвинуты по оси Y для наглядности.

Исследование бесфононной и фононной ФЛ позволило сопоставить качество ХГФЭ и МПЭ эпитаксиальных слоев GaN. Экситонные особенности наблюдались в тонких МПЭ слоях, выращенных без буфера, при толщинах, толстого ХГФЭ GaN (рис. 3, b) форма 1LO-линии хо- примерно в 25 раз меньших, чем ХГФЭ слои, что рошо описывалась зависимостью I E3/2 exp(-E/kT), говорит о перспективе использования МПЭ для роста тогда как для тонкого МПЭ GaN (рис. 3, a) в спектре высококачественных наноструктур.

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.