WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5 Люминесцентные свойстава слоев нитрида галлия, выращенных газофазной эпитаксией в хлоридной системе на подложках карбида кремния © А.С. Зубрилов, Ю.В. Мельник, Д.В. Цветков, В.Е. Бугров, А.Е. Николаев, С.И. Степанов, В.А. Дмитриев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 декабря 1996 г. Принята к печати 15 января 1997 г. ) Проведено исследование люминесцентных свойств нелегированных эпитаксиальных слоев нитрида галлия, выращенных газофазной эпитаксией в хлоридной системе на подложках карбида кремния. В спектрах фотои катодолюминесценции зарегистрированы краевая полоса (361 нм, 96 K) и дефектные полосы (380, 430, 560 нм, 96 K). Обнаружено, что параметры полос краевой и дефектной люминесценции для исследованных слоев GaN не зависят от кристаллического совершенства подложки, а определяются условиями выращивания, в частности положением образца в реакторе. Показано, что существует характерная симметрия распределения люминесцентных свойств слоя по поверхности образцов относительно направления газового потока в реакторе. Установлена корреляция между параметрами краевой и синей полос люминесценции и концентрацией электрически активной примеси в эпитаксиальном слое.

1. Введение полушириной кривой качания от слоя GaN, выросшего на этом участке подложки, показали, что с увеличеСоздание на основе нитрида галлия высокоэффектив- нием полуширины кривой качания от подложки карбиных синих и зеленых светодиодов [1], изготовление да кремния происходит уширение кривой качания от фиолетового инжекционного лазера [2] выдвинули этот слоя нитрида галлия. Диапазон изменения полуширины материал в ряд наиболее интенсивно излучаемых по- рентгеновской кривой качания для различных участков лупроводников. Очень активно ведутся исследования, подложки SiC составил в этих экспериментах от 17 направленные на разработку эпитаксиальных методов до 74 угл.с. Существующий диапазон значений для слоя выращивания GaN. Эти работы затруднены тем, что GaN составил от 69 до 149 угл.с. В настоящей работе мы подложки GaN практически отсутствуют [3], и разраба- изучали оптические характеристики этих слоев.

тываемые методы являются гетероэпитаксиальными.

Ранее мы сообщили о возможности роста высокока2. Экспериментальные образцы чественных эпитаксиальных слоев AlN на подложках сапфира [4] и слоев GaN на подложках карбида крем- и методы измерений ния [5] при газофазной эпитаксии модифицированным Слои GaN были выращены при атмосферном давлении хлоридно-гидридным методом (ХГМ) без использования в горизонтальном реакторе, помещенном в многозонную буферного слоя. Достоинтством карбида кремния как подложки для GaN по сравнению с широко исполь- печь с резистивным нагревом. В качестве подложек использовали кристаллы карбида кремния. Нитрид галзуемым сапфиром является меньшее рассогласование лия осаждали без применения какого-либо буферного параметров кристаллической решетки и возможность слоя. Слои выращивали на (0001)Si-грани подложек SiC пропускания электрического тока через подложку, что политипов 6H и 4H. Подложки были как n-, так и важно для ряда приборных применений. Кроме того, в p-типа. Слои во время роста не легировали. Температура приборном плане представляет интерес гетеропереход GaN/SiC [6,7]. Естественно ожидать, что в случае эпи- роста лежала в пределах 950–1050C. Толщина слоев таксии без использования буфера параметры подложки составляла от 0.2 до 7 мкм. Для образцов диаметром будут оказывать более существенное влияние на струк- 30 мм разброс толщины слоя GaN по площади не турное качество и свойства эпитаксиального слоя, по превышал 5%. Скорость роста в зависимости от техносравнению с эпитаксией на предварительно выращенный логических режимов изменялась от 0.1 до 60 мкм/ч. Слои буфер [1–3]. имели электронный тип проводимости. Концентрация нескомпенсированных доноров (ND-NA), определенная Свойства кристаллической структуры эпитаксиальных с помощью ртутного зонда C-V -методом, лежала в слоев, выращенных ХГМ на подложках карбида кремния, были представлены нами ранее [8]. Было обнаруже- диапазоне 1017-1018 см-3. Описание особенностей техно, что качество кристаллической структуры эпитакси- нологии можно найти в [5,8].

альных слоев GaN в основном определяется кристал- Люминесцентные свойства образцов исследовали мелическим совершенством подложки. Эксперименты, в тодами фото- (PL) и катодолюминесценции (CL) в диакоторых полуширина рентгеновской кривой качания от пазоне температур 96–300 K. Для фотонакачки испольопределенного участка подложки SiC сопоставлялась с зовали азотный лазер, работающий на длине волны Люминесцентные свойстава слоев нитрида галлия, выращенных газофазной эпитаксией... 337.1 нм, имеющий следующие параметры: импульсная мощность — 2 кВт, длительность импульса 10 нс, частота повторения импульсов — 100 Гц. Для катодолюминесцентных исследований использовали электронный пучок с энергией электронов в диапазоне 4–15 кэВ. Ток пучка составлял 0.01–0.05 мА. Диаметр электронного пучка на поверхности образца меняли в пределах 0.5– 50 мм. Спектры люминесценции регистрировали с помощью монохроматора (МДР-23) с дисперсией 1.3 нм/мм.

Спектральное разрешение установки было не хуже 0.1 нм. После регистрации фотоэлектронным умножителем (ФЭУ-100) сигнал автоматически корректировался с учетом спектральной чувствительности установки.

Для слоя, выращенного на подложке SiC диаметром 30 мм, была составлена карта распределения значений интенсивности и полуширины полос люминесценции, измеренных в 24 областях структуры по аналогии с проведенными ранее рентгеновскими исследованиями [8].

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение Характерные спектры люминесценции выращенных слое GaN при низком и высоком уровнях возбуждения представлены на рис. 1. Отметим, что способ возбуждения не оказывает существенного влияния на Рис. 2. Гистограммы распределения значения полуширин краевого пика (a) и интенсивностей краевого пика (b) для эпитаксиального слоя GaN по площади пластины диаметром 30 мм. Стрелкой показано направление газового потока реагентов относительно подложки в реакторе.

спектры. Для измеренных спектров типично присутствие четырех полос: краевой полосы A (max 361 нм, 96 K), которая ранее была интерпретирована как экситонная [9], и трех более длинноволновых полос B, C, D, лежащих соответственно в ближней ультрафиолетовой, синей и желто-зеленой областях оптического спектра.

Полосы B (max 380 нм, 96 K) и C (max 430 нм, 96 K) возможно связаны с автолегированием во время роста. Природа полосы D (max 560 нм, 96 K) активно обсуждается в литературе [3] и, по-видимому, связана с вакансиями в подрешетке азота. В некоторых образцах была зарегистрирована полоса E с максимумом интенсивности излучения в краевой области спектра, Рис. 1. Спектры катодолюминесценции (верхний рисунок) и вызванная, по-видимому, переизлучением в подложке фотолюминесценции (нижний) эпитаксиальных слоев GaN, выSiC (спектр катодолюминесценции подложки имеет ширащенных на 6H-SiC-подложках. Пунктирной линией показан рокую полосу с максимумом на длине волны 670 нм).

спектр катодолюминесценции подложки.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 618 А.С. Зубрилов, Ю.В. Мельник, Д.В. Цветков, В.Е. Бугров, А.Е. Николаев, С.И. Степанов...

Рис. 3. Анализ распределения интенсивностей люминес- Рис. 4. Анализ распределения интенсивностей люминесцентной полосы C по площади пластины. Топограмма (a) и центной полосы D по площади пластины. Топограмма (a) и гистограмма (b): распределение интенсивности синей поло- гистограмма (b): распределение интенсивности зеленой полосы (оптический фильтр с полосой пропускания 380–460 нм).

сы (оптический фильтр с полосой пропускания 500–580 нм).

Стрелками показано направление газового потока реагентов Стрелками показано направление газового потока реагентов относительно подложки в реакторе.

относительно подложки в реакторе.

На некоторых образцах полосы C и D зарегистрированы люминесцентные свойства (рис. 2–4). Интенсивность не были. При очень высоких уровнях возбуждения (по- краевого пика как фото-, так и катодолюминесценции, а рядка 1 МВт/см2) наблюдалось доминирование краевой также интенсивности полос C и D были распределены полосы A над полосами B, C и D за счет эффектра насы- симметрично относительно линии, проходящей через щения каналов рекомбинации через дефекты. Отметим, центр образца параллельно направлению газового что корреляции между полушириной рентгеновских кри- потока. По результатам рентгеновских измерений [8], вых качания, измеренных ранее [8], и характеристиками данная симметрия не наблюдалась. Концентрация люминесценции (полушириной полос люминесценции и ND-NA была постоянной по всей площади образца и соотношения интенсивности различных полос) замечено составляла 2 1017 см-3.

не было. Не было замечено влияния типа проводимости Полученные результаты можно объяснить следующим и политипа подложек SiC на люминесценцию слоев GaN.

образом. Неравномерное распределение интенсивности При изучении распределения люминесцентных полос люминесценции по площади образца, на наш свойств по площади слоя, выращенного на подложке SiC взгляд, связано с неоднородным введением в слой тодиаметром 30 мм, было обнаружено влияние положения чечных дефектов: примесей и (или) собственных деобразца относительно направления газового потока на фектов структуры (при этом возможна корреляция меФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Люминесцентные свойстава слоев нитрида галлия, выращенных газофазной эпитаксией... кривые качания пренебрежимо мало. С другой стороны, известно, что столь высокая плотность дислокаций в III–V нитридах тем не менее позволяет изготавливать высокоэффективные светодиоды и инжекционные лазеры на их основе [1,2]. Это означает, что люминесцентные свойства этих материалов в значительной степени определяются точечными дефектами и локальными механическими напряжениями, т. е. ближним порядком в кристалле (даже свободные состояния, например свободные экситоны, дающие вклад в краевую люминесценцию в GaN, сильно локализованы из-за больших значений эффективных масс носителей заряда [3]). Это, повидимому, связано с тем, что диффузионные длины для неравновесных носителей заряда в этом материале невелики [10] по сравнению со средним расстоянием между дислокациями. Поэтому основная часть неравновесных носителей заряда успевает рекомбинировать Рис. 5. Зависимость интенсивности синей люминесценции (1) прежде, чем будет захвачена дислокациями. Однако в и полуширины краевого пика (2) от концентрации ND - NA для случае существенного взаимодействия систем точечных ряда эпитаксиальных слоев GaN, выращенных ХГМ в разных и протяженных (например, примесные атмосферы дислотехнологических режимах.

каций) в принципе возможны также коореляции между люминесцентными (электрическими) свойствами и пространственным распределением протяженных дефектов.

То, что нам не удалось обнаружить такие корреляции жду люминесцентными и электрическими свойствами в исследованных слоях, может говорить о недостаточно по площади образца). В свою очередь, неоднородность сильном взаимодействии этих систем друг с другом для распределения точечных дефектов может быть обуслотого, чтобы вызвать заметное изменение люминесцентвлена, по крайней мере, двумя причинами: неоднородных и электрических свойств по площади образцов GaN.

ным распределением загрязняющей неконтролируемой Как указывалось выше, краевая полоса A является примеси вдоль ростовой зоны реактора и зависимостью полосой экситонной природы и представляет собой сукоэффициентов захвата этих примесей и (или) точечных перпозицию двух полос [9] — полосы, связанной с андефектов от технологических условий на ростовой понигиляцией экситона, локализованного на нейтральном верхности (давление реагентов, температура) и свойств доноре, и полосы свободного экситона. Уширение полосамой поверхности. В этой связи появление зеркальной сы A определяется двумя эффектами: температурным и симметрии в распределении интенсивности люминеснеоднородным уширением, которое может быть связано центных полос не является неожиданным и определяетс дефектами и локальными механическими напряженияся геометрией реактора при фиксированном положении ми. Как видно на рис. 2, полуширина (FWHM) полосы A подложек во время роста. Этот эффект в пределах одного невелика и разброс значений полуширины полосы A по образца выражен достаточно слабо (что является принплощади также невелик (18%). Это свидетельствует об ципиальным достоинством используемой технологии выотносительно небольшом вкладе неоднородного уширеращивания GaN), поэтому на одном образце обнаружить ния в данном случае. Для образцов, полученных в некорреляцию с концентрацией ND-NA не удалось. Однако оптимальных технологических режимах, имеющих больна образцах из различных ростовых экспериментов с шое значение полуширины полосы A (более 100 мэВ, существенно отличающейся интенсивностью синей де300 K), имеет место значительный вклад неоднородного фектной полосы C такую корреляцию удалось наблюдать.

уширения, что подтверждается более слабой температурКак правило, более интенсивная полоса C и большее ной зависимостью полуширины для этой полосы.

уширение краевой полосы A наблюдались на образцах Природа дефектных полос люминесценции в наших с большим значением ND-NA (рис. 5).

образцах неизвестна. Проведенных анализ состава образЧто касается отсутствия четкой связи между люминесцов методом электронной оже-спектроскопии показал, центными и рентгеновскими измерениями, то причина что в образцах отсутствуют химические примеси с конздесь иная. В сильно рассогласованных гетерострукту- центрациями, превышающими 0.1 ат.%. Анализ слоев рах, таких как GaN/SiC, основным типом структурных GaN методом вторичной ионной масс-спектрометрии дефектов, плотность и характер распределения которых выявил наличие следов ряда элементов, которые могут определяет уширение рентгеновских кривых качания в образовывать электрически активные центры. Однако геометрии -сканирования, являются дислокации. При этот вопрос требует дополнительных исследований.

плотности дислокаций 108-109 см-2 [8] в исследованных Таким образом, для слоев нитрида галлия высокого слоях влияние точечных дефектов на рентгеновские структурного совершенства, выращенных на подложках Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 620 А.С. Зубрилов, Ю.В. Мельник, Д.В. Цветков, В.Е. Бугров, А.Е. Николаев, С.И. Степанов...

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.