WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 5 Исследование латерального транспорта носителей в структурах с квантовыми точками InGaN в активной области © В.С. Сизов¶, Д.С. Сизов, Г.А. Михайловский, Е.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 20 сентября 2005 г. Принята к печати 10 октября 2005 г.) Исследовались структуры на основе GaN с квантовыми точками InGaN в активной области, излучающие в синем и зеленом диапазонах света. Сравнивались структуры, выращенные как традиционным способом, так и с применением специальных методик выращивания активной области. Применение таких специальных режимов роста стимулирует активированный фазовый распад, приводящий к образованию квантовых точек с существенно большей глубиной локализации электронов. Показано, что образование таких глубоких квантовых точек, так же как и образование более крупных неоднородностей активной области, существенно подавляет латеральный транспорт носителей. Это улучшает характеристики светодиодных структур при малом уровне инжекции, а также увеличивает температурную стабильность квантовой эффективности.

PACS: 85.60.Th, 68.55.Bd, 78.67.Hc, 85.60.Dm, 78.55.-m, 85.42.+m, 72.40.+w 1. Введение InGaN как по толщине, так и по составу. Последнее происходит вследствие формирования участков, обогаВ настоящее время уделяется большое внимание щенных индием из-за фазового распада InGaN. Причина изучению полупроводниковых систем на основе нитрида образования таких неоднородностей на настоящий могаллия. Такой интерес вызван, во многом, возможностью мент не достаточно ясна.

создания на основе этих широкозонных полупроводниОдин из механизмов, приводящих к фазовому расковых соединений светоизлучающих приборов видимого паду InGaN, — неустойчивость твердого раствора при диапазона, таких как светодиоды и лазеры [1]. Несмотря определенных условиях роста [2]. Благодаря различию на значительный прогресс в этом направлении, супериодов кристаллической решетки встраивание атомов ществуют некоторые актуальные технологические проиндия более вероятно в тех областях, где состав по блемы. Важной проблемой, препятствующей созданию индию выше, т. е. период кристаллической решетки бливысокоэффективных светоизлучающих приборов, являже к периоду решетки InN. Это приводит к разрасется наличие большой плотности прорастающих дефектанию спонтанно образовавшихся флуктуаций состава.

тов (дислокаций, границ доменов и т. п.), играющих Такой процесс носит название активированного распада роль безызлучательных центров. Причиной образования твердого раствора и используется для формирования большой плотности дефектов является прежде всего квантовых точек (КТ) InGaAs в структурах с длиной рассогласование параметров решетки подложки и GaN, волны излучения 1.3 мкм. Инициировать такой фазовый а также особенности начальных стадий роста GaN. Для распад могут различные неоднородности нижележащих эпитакcии слоев GaN широко используются сапфировые слоев, а также сами КТ в случае их дальнейшего подложки, которые, несмотря на то что являются несозаращивания слоем твердого раствора [3].

гласованными со слоями GaN, остаются по сей день В зависимости от характера неоднородностей, опренаиболее распространенными, поскольку они достаточно деляемого геометрическими размерами и величиной дешевы и технологически хорошо освоены.

флуктуаций состава, наноразмерные внедрения могут В современной промышленной технологии широко играть роль неоднородных квантовых ям или массива используются наноразмерные внедрения InGaN в светоквантовых точек. Как было показано в работе [4], где излучающих приборах на основе GaN. Использование исследовались образцы, аналогичные исследованным в таких внедрений позволяет увеличить длину излучения данной работе, в таких структурах неоднородности яввплоть до 600 нм, а также повысить эффективность ляются квантовыми точками. Естественно, что и энергесветоизлучающих приборов посредством подавления латический спектр электронных состояний такого массива терального транспорта носителей к центрам безызлуКТ также сильно неоднороден.

чательной рекомбинации [1]. Это позволяет получить Несмотря на множество работ по исследованию динаэффективные светоизлучающие приборы, несмотря на мики носителей, в том числе и измерений с временным большую концентрацию центров, отвечающих за безызразрешением [5,6], вопрос о непосредственном захвате лучательную рекомбинацию. Подавление латерального и выбросе носителей из КТ остается мало изученным, в транспорта достигается благодаря образованию неодното время как именно эти процессы определяют эффект родного потенциала, локализующего носители заряда подавления транспорта носителей вдоль слоя КТ. Пои возникающего вследствие неоднородности внедрений скольку применение квантовых точек InGaN возможно ¶ E-mail: sizovviktor@mail.ru не только для создания светодиодов и лазеров на их 590 В.С. Сизов, Д.С. Сизов, Г.А. Михайловский, Е.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников...

основе, а также для создания новых типов приборов, — таких как источники единичных фотонов, или структур для применения в спинтронике, — требуется более точно управлять свойствами КТ (их размерами, составом, концентрацией и т. д.).

В проведенных ранее работах [7–9] исследовались структуры, выращенные традиционным способом, и структуры, при формировании активной области которых применялись режимы роста, стимулирующие активированный фазовый распад, приводящий к образованию глубоких КТ, т. е. КТ с большой энергией активации носителей заряда. Показано, что в структурах с глубокими КТ времена выброса носителей с уровней КТ в область непрерывного спектра оказываются больше времен рекомбинации. Это, в частности, приводит к неоднородной заселенности носителей на уровнях КТ, а также может являться причиной спектрального выжигания мод в лазерах, что в некоторых случаях приводит к уширению линии генерации.

Поскольку процессы захвата и выброса носителей непосредственно отвечают за транспорт носителей вдоль активной области, следует ожидать, что при формироРис. 1. Схематическое изображение зонной диаграммы в вании различных активных областей будет наблюдаться латеральном направлении для структур с различным типом различный характер подавления латерального транспорактивной области: с глубокими (a) и мелкими (b) квантовыми та. Так как подавление латерального транспорта являточками.

ется важным эффектом, влияющим на характеристики приборов, а также отражающим как особенности формирования активной области структур, так и свойства представлены схемы зонной диаграммы в латеральном массивов КТ, исследование данного процесса является направлении активной области первого типа (ЛТ не поактуальным.

давлен (b)) и второго (ЛТ подавлен (a)). В структурах При отсутствии подавления латерального транспорта с активной областью типа A энергия активации электро(ЛТ), а также в том случае, когда этот эффект настолько нов велика, и это является препятствием для движения мал, что им можно пренебречь, в структурах с квантоносителей в латеральном направлении.

выми точками InGaN положение максимума излучения С целью выявления влияния режимов выращивания фотолюминесценции (ФЛ) определяется распределениструктур на эффект подавления ЛТ в них, в данной ем положения электронных уровней в различных по работе были исследованы структуры с различными техсоставу и размеру КТ. Такое распределение можно апнологическими режимами выращивания.

проксимировать функцией ошибок [10]. Кроме того, при малом эффекте подавления ЛТ распределение носителей на уровнях КТ подчиняется статистике Ферми вне зави- 2. Эксперимент симости от того, на каких уровнях рождаются носители.

Таким образом, при изменении энергии возбуждающего Исследованные структуры были выращены методом фотона положение максимума излучения в спектрах ФЛ MOCVD на установке AIX 2000-HT (образцы A1-A4;

должно оставаться неизменным. C1-C3; D1-D2), а также на установке Epiquip (образВ структурах же, в которых эффект подавления лате- цы B1-B2). Структуры выращивались с использованием рального транспорта выражен в значительной степени, сапфировых подложек, на которых после осаждения ожидается изменение положения максимума излучения зародышевого слоя выращивался буферный слой GaN, ФЛ при уменьшении энергии возбуждающего фотона ни- на котором выращивалась активная область, состояже определенного значения, соответствующего границе щая из нанослоев InGaN толщиной 3 нм, разделенных непрерывного спектра [11]. Это является следствием то- барьерами GaN толщиной 7 нм (5 периодов). Далее го, что при достаточно низкой энергии возбуждения но- структуры заращивались слоем GaN толщиной 50 нм.

сители не успевают статистически перераспределиться Для исследования электролюминесценции использована уровни массива КТ, так как скорость этого процесса лись светодиодные структуры, в которых активная обоказывается сравнима со скоростью рекомбинации. ласть была заключена между p-n-переходом, в котором Таким образом, положение максимума излучения ФЛ n-слой создавался посредством легирования кремния, определяется не только спектром электронных состоя- а p-слой — магнием. Для исследования оптических ний, а еще и энергией возбуждающего фотона. На рис. 1 переходов с различной энергией при измерении спекФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Исследование латерального транспорта носителей в структурах с квантовыми точками InGaN... Рис. 2. Положение максимума интенсивности фотолюминесценции для структур A1-A4 с квантовыми точками в матрице GaN в зависимости от энергии возбуждающего фотона. A2-A4 — структуры, выращенные традиционным способом, A1 — структура, выращенная с прерыванием роста и с заращиванием слоем InGaN с более низким составом по индию.

тров люминесценции применялись ксеноновая лампа и КТ слоем InGaN с более низким содержанием In, монохроматор с одной дифракционной решеткой. Для чем в квантовых точках. Это также способствовало возбуждения надбарьерной ФЛ применялся HeCd-лазер. процессу фазового распада, приводящего к образованию в A1 более глубоких флуктуаций потенциала, нежели в структурах A2-A4.

3. Результаты и обсуждение Положение максимума излучения ФЛ в зависимости от энергии возбуждения для структур A1-A4 пред3.1. Исследование оптических характеристик ставлено на рис. 2. Как видно из рисунка, для всех Исследовались серии образцов с КТ InGaN, заключен- структур, кроме A1, наблюдается слабое изменение ными в матрице GaN (структуры A1-A4) и в матрице положения максимума ФЛ. Эти данные позволяют говоInGaN (структуры B1, B2). рить о том, что в структурах A2-A4 эффект подавления В образцах A2-A4 варьировался ростовой пара- ЛТ выражен в незначительной степени при энергиях метр — давление в реакторе при выращивании активной возбуждающего фотона, лежащих в рассмотренном диаобласти. В работах [12,13] было показано, что такое пазоне, в отличие от структуры A1. Мы полагаем, что увеличение давления приводит к улучшению качества в этой структуре при энергии возбуждающего фотона структур и к увеличению интенсивности ФЛ [13]. Уве- меньше 3.1 эВ электроны и дырки рождаются на локаличение интенсивности излучения мы также связываем с лизованных уровнях КТ и их энергия ниже энергии края тем, что повышенное давление стимулирует образование непрерывного спектра. Таким образом, у этой структуры более значительных неоднородностей в активной обла- существенно более высокое значение энергии активации сти, являющихся эффективными центрами, локализую- носителей заряда с уровней КТ. Следует также отметить, щими носители заряда, и тем самым подавляющих ЛТ. что структура A1 обладает значительно большей инПри формировании активной области структуры A1 тенсивностью излучения при малых уровнях инжекции применялось специальное прерывание роста, стимулиру- (примерно на порядок), нежели структуры с меньшими ющее, как упоминалось выше, активированный фазовый энергиями активации. Это можно объяснить тем, что распад. Кроме того, производилось заращивание массива при глубокой локализации на уровнях КТ времена Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 592 В.С. Сизов, Д.С. Сизов, Г.А. Михайловский, Е.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников...

выброса носителей в область непрерывного спектра, соответствующего инфинитному движению носителей, много больше, чем для мелких КТ. Это приводит к подавлению ЛТ и ограничению переноса носителей к центрам безызлучательной рекомбинации и тем самым уменьшает влияние таких центров.

Результаты измерений спектров ФЛ при различных энергиях возбуждения для стурктур B1, B2, выращенных в матрице InGaN, представлены на рис. 3. Как видно из рисунка, изменение положения максимума при изменении энергии возбуждающего фотона наблюдается для обеих структур, выращенных в матрице InGaN.

Мы полагаем, что стимулирование активированного фазового распада возможно не только при заращивании слоем InGaN более низкого по In состава, но и при использовании матрицы InGaN.

С целью подтверждения предположения о том, что использование стимулированного распада твердого раствора приводит к подавлению латерального транспорта, нами были измерены спектральные зависимости латеральной проводимости (LPC) структур при температуре 300 и 77 K (рис. 4, 5) по методике, описанной в работе [14]. На спектрах можно увидеть, что при понижении температуры от 300 до 77 K у структуры с Рис. 3. Зависимости положения максимума интенсивности фотолюминесцении от энергии возбуждающего фотона для матрицей InGaN наблюдается изменение формы спектра структур B1, B2, выращенных в матрице InGaN.

проводимости в области энергий ниже определенного Рис. 4. Зависимости латеральной проводимости от энергии возбуждающего фотона для структуры, выращенной в матрице InGaN, при 300 K (1) и при 77 K (2). Кривые 3 — спектры возбуждения фотолюминесценции при различной энергии возбуждения, приведенной на рисунке; 4 — спектр фотолюминесценции при возбуждении He–Cd-лазером (325 нм). Граница непрерывного спектра отмечена вертикальной штриховой прямой.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Исследование латерального транспорта носителей в структурах с квантовыми точками InGaN... Рис. 5. Зависимости латеральной проводимости от энергии возбуждающего фотона для структуры, выращенной в матрице GaN при 300 K (кривая 1) и при 77 K (кривая 2). Кривые 3 — спектры возбуждения фотолюминесценции при различной энергии возбуждения, приведенной на рисунке; 4 — спектр фотолюминесценции при возбуждении He–Cd-лазером (325 нм).

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.