WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 8 УДК 621.315.592 Электронные и колебательные состояния InN и твердых растворов InxGa1-xN Обзор † © В.Ю. Давыдов, А.А. Клочихин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия † Институт ядерной физики Российской академии наук, 188350 Санкт-Петербург, Россия (Получен 19 января 2004 г. Принят к печати 2 февраляя 2004 г.) Излагаются результаты исследований основных физических характеристик InN, который до настоящего времени остается наименее изученным из нитридов элементов III группы. Мы приводим анализ оптических исследований InN, выполненных в ранних работах, и сопоставление их с результатами последних исследований. Новые экспериментальные факты, приводимые в данном обзоре, относятся к гексагональным монокристаллическим эпитаксиальным слоям InN с концентрацией электронов в пределах от (1-2) · 1018 до 6 · 1020 см-3, выращенных методами MBE (молекулярно-пучковой эпитаксии) и MOVPE (газофазной эпитаксии из металлорганических соединений) на подложках Al2O3. В обзоре приводятся основные структурные и электрические характеристики эпитаксиальных слоев гексагонального InN. Эти данные являются результатом применения целого набора аналитических методов исследования. Большое внимание уделено комплексному анализу спектров межзонного поглощения, фотолюминесценции, возбуждения люминесценции и фотомодулированного отражения в области края собственного поглощения. Основным результатом исследований оптических спектров, проведенных в последнее время, является установление того факта, что гексагональный кристалл InN является узкозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0.65–0.7 эВ. Ранее значение ширины запрещенной зоны считалось равным 1.89 эВ. Показано, что корректный учет эффекта Бурштейна–Мосса объясняет большое различие между шириной запрещенной зоны и порогом оптического поглощения в образцах InN с высокой концентрацией электронов. Малое значение ширины запрещенной зоны гексагонального InN подтверждается оптическими исследованиями твердых растворов Inx Ga1-x N в области больших концентраций In. Дан также краткий обзор теоретических расчетов зонной структуры гексагональных кристаллов InN.

3.3.3. Межзонная люминесценция сильно легированных Содержание полупроводников 1. Введение 3.3.3.1. Основные характеристики межзонной рекомби1.1. История вопроса нации 1.2. Прогресс технологии синтеза 3.3.3.2. Зависимость формы полосы межзонной реком1.3. План обзора бинации от концентрации носителей заряда 2. Колебательная спектроскопия гексагонального InN 3.3.3.3. Температурная зависимость полосы люминес2.1. Фононы в гексагональном InN ценции 2.1.1. Правила отбора 3.3.3.4. Рекомбинация термализованных дырок 2.1.2. Основные экспериментальные результаты 3.3.3.5. Влияние неоднородного уширения и неравно2.1.3. Фонон-плазмонные моды весного распределения носителей заряда на 2.1.4. Основные характеристики колебательного спектра контур полосы люминесценции кристаллической решетки InN 3.3.3.6. Роль урбаховских хвостов состояний 3. Электронные состояния InN 3.3.4. Спектры возбуждения люминесценции и фотомоду3.1. Зонная структура InN: теория лированного отражения сильно легированных полу3.2. Зонная структура InN: эксперимент проводников 3.3. Оптические свойства InN в области фундаментального 3.3.4.1. Спектры возбуждения люминесценции края 3.3.4.2. Спектры фотомодулированного отражения 3.3.1. Характеристики исследованных образцов 3.3.5. „Широкозонные“ образцы InN 3.3.2. Межзонное поглощение сильно легированных по3.3.5.1. Результаты экспериментов с послеростовой облупроводников (эффект Бурштейна–Мосса) работкой образцов InN 3.3.2.1. Эффект Бурштейна–Мосса в прямозонном кри3.3.5.2. Облучение протонами сталле 4. Оптические спектры твердых растворов InxGa1-x N 3.3.2.2. Нарушение закона сохранения импульса в про- 4.1. Cпектры межзонного поглощения и люминесценции цессах межзонного поглощения твердых растворов InxGa1-x N 3.3.2.3. Флуктуации плотности заряда 4.2. Фононы в гексагональном Inx Ga1-x N 3.3.2.4. Зависимость ширины запрещенной зоны от 4.3. Уширение рамановских линий LO-фононов Inx Ga1-xN 5. Заключение концентрации носителей заряда 1 898 В.Ю. Давыдов, А.А. Клочихин 1. Введение где на основе анализа спектров поглощения твердых растворов Inx Ga1-xN в интервале 0 < x < 0.42 было Нитрид индия в последние годы вызывает повышен- высказано предположение, что InN может иметь порог ный интерес как в связи с применением в гетеро- оптического поглощения зоны значительно ниже 2 эВ, структурах на базе GaN в системе твердых раство- долгое время оставалась неизвестной широкому кругу ров AlN–GaN–InN, так и сам по себе как материал для читателей, так как была опубликована только в материразнообразных полупроводниковых приборов [1–3].

алах конференции.

Поскольку кристаллический InN все еще остается наименее изученным среди нитридов элементов III груп1.1. История вопроса пы, представляется интересным кратко остановиться на Условия синтеза слоев InN обычно оказываются истории его синтеза и исследований. Подробное описакрайне неблагоприятными из-за низкой температуры ние синтеза InN методами PAMBE, MOMBE, MOVPE диссоциации [4]. Большое несоответствие параметров и RF-MBE можно найти в обзорах [15–17]. Отсылая чикристаллических решеток InN и монокристаллов саптателя к этим работам, мы лишь схематично перечислим фира, наиболее подходящих для применения в качестве основные этапы прогресса технологии синтеза.

подложек, также приводит к снижению кристаллическоСовременный синтез кристаллов InN зародился в го качества эпитаксиальных слоев. В результате в течепервой половине 70-х годов прошлого века, тогда же ние длительного времени удавалось выращивать лишь началось и более детальное изучение их физических дефектные слои, концентрация свободных электронов в свойств. На первой стадии исследований основным мекоторых обычно превышала 1020 см-3. Как это теперь тодом получения пленок был метод реактивного расустановлено, оптические исследования таких кристалпыления индиевого анода — мишени, разогреваемого лов InN требуют тщательного анализа экспериментальэлектронным пучком. Химическая реакция происходила ных данных в широком диапазоне энергий, поскольку в потоке азота, который активировался электрическим порог оптических межзонных переходов, полученный разрядом в полом катоде. В качестве подложек для обиз коэффициента межзонного поглощения, не совпадает разующихся пленок использовались кварц, сапфир или с шириной запрещенной зоны. В ранних работах это стекло [5,18,19]. Получающиеся поликристаллические обстоятельство практически полностью игнорировалось.

пленки вюрцитной модификации InN характеризовались В значительной мере из-за этого были получены завывысокой концентрацией электронов (более 1020 см-3), шенные почти в 3 раза значения ширины запрещенной что, вероятно, было следствием низкой скорости роста, зоны Eg, порядка 1.9–2.05 эВ [5–8], которые вошли в низкой (комнатной) температуры подложки и недостасправочные издания.

точно глубокого вакуума.

Анализируя литературные данные с сегодняшней точНаиболее полное исследование оптических свойств ки зрения, можно найти и такие факты, которые дают такого рода пленок было проведено в работе [5]. Мы повод усомниться в правильности указанной выше велиостановимся на результатах этой работы подробнее. Почины запрещенной зоны для InN. Отметим некоторые из рог межзонного поглощения таких пленок с концентраних.

цией 3 · 1020 см-3 был найден равным 2.05 эВ. Обращает Сведения о люминесценции InN в литературе до на себя внимание необычная зависимость наблюдаемого недавнего времени отсутствовали, однако в работе [9] по коэффициента поглощения от энергии. Эта зависимость спектрам поглощения и люминесценции твердых раство- имела V-образный характер: прозрачность пленки была ров Inx Al1-xN в области x 0.47 была получена оценка максимальна при 1.2-1.3 эВ и резко падала как ширины запрещенной зоны такого твердого раствора при уменьшении энергии фотона, так и при ее увелиEg 1.7 эВ, т. е. меньше существовавших справочных чении. Такое поведение коэффициента поглощения было данных для InN.

объяснено в работе [5] двумя различными механизмами:

Кроме того, в твердых растворах Inx Ga1-x N в об- поглощением свободными носителями в низкоэнергеласти x = 0.35-0.4 были обнаружены полосы лю- тической части спектра и межзонными переходами в минесценции с максимумами в диапазоне энергий области высоких энергий.

1.7-2.2эВ [10–12]. Такое положение для полос межзон- Увеличение коэффициента поглощения от значения ной рекомбинации в твердых растворах трудно объяс- 6 · 103 см-1 в минимуме при 1.2-1.3 эВ до венить, если принять для ширины запрещенной зоны InN личины 2 · 104 см-1 в области низких энергий при значение из справочных данных.

0.8 эВ авторы [5] связали с увеличением поглощеНаконец, следует отметить работу [13], где край ния свободными носителями. Обнаруженный в спектре поглощения для монокристаллических пленок InN, при- отражения плазменный резонанс при 0.6эВ для готовленных методом PAMBE (молекулярно-пучковой образца с концентрацией 3 · 1020 см-3 подтверждал эту эпитаксии с плазменной активацией азота), был распо- интерпретацию и свидетельствовал о том, что картина ложен в районе 1.1-1.5эВ. пропускания пленки действительно существенным обраПеречисленные факты тем не менее не были крити- зом модифицируется плазменным отражением. Испольчески осмыслены авторами. Единственная работа [14], зуя данные по плазменному отражению и по картине Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Электронные и колебательные состояния InN и твердых растворов Inx Ga1-xN интерференции в области относительной прозрачности, 1.2. Прогресс технологии синтеза авторы [5] нашли величину эффективной массы элекПрогресс в изучении InN был главным образом трона для InN: me = 0.11m0. Дальнейшие выводы автообусловлен усовершенствованием технологии синтеза, ры сделали, исходя из предположения, что сдвиг края которое оказалось, однако, не столь быстрым из-за ряда оптического поглощения за счет эффекта Бурштейна– фундаментальных трудностей. К ним можно отнести:

Мосса [20] не превышает величины 0.1 эВ. Такая малая — низкую температуру диссоциации InN (500C [21], величина сдвига Бурштейна–Мосса входила в явное 550C [22], 630C [23]), которая определяется сравпротиворечие с высокой концентрацией носителей, конительно малой энергией связи In–N и зависит от торая была установлена по наблюдавшейся картине внешнего давления паров N на поверхность InN;

плазменного отражения. Поэтому, чтобы согласовать — быстрое возрастание равновесного давления N2 с наблюдаемое положение порога поглощения около 2 эВ, большую концентрацию электронов 3 · 1020 см-3 и вели- увеличением температуры роста TS начиная с 470C, как это было предсказано теоретически [24], или с 450C, чину эффективной массы me = 0.11m0, авторы предполокак это было недавно установлено экспериментально жили наличие боковых минимумов в зоне проводимости, при изучении испарения InN в вакууме [25], что вызырасположенных ниже прямого перехода.

вает быстрое обеднение азотом поверхности пленки и Однако, если допустить, что боковых минимумов появление капель индия;

ниже прямого перехода в -точке нет, величина сдвига края оптических межзонных переходов за счет эффек- — наконец, низкую пиролитическую эффективность аммония NH3 при низких температурах роста, что та Бурштейна–Мосса при концентрации 3 · 1020 см-3 и является критичным для газофазной эпитаксии из меэффективной массе me = 0.11m0 должна составлять не таллорганических соединений (MOVPE); кроме того, менее 1.4 эВ. Как следствие, для „истинной“ ширины при низких температурах понижается поверхностная запрещенной зоны при комнатной температуре такая подвижность атомов, делая проблематичным получение оценка дала бы существенно меньшую величину, а высококачественных пленок.

именно 0.55-0.60 эВ. Однако такая возможность тогда даже не рассматривалась как возможный вариант Подобно другим нитридам элементов III группы, интерпретации результатов экспериментов. пленки InN выращиваются на подложках из чужеродВ дальнейшем точка зрения на электронную структу- ных материалов. При этом не удается подобрать материал, хорошо согласованный с InN по параметрам ру InN также определялась только результатами работ кристаллической решетки и по коэффициенту теплового по исследованию края оптического поглощения [6,7].

Именно широко цитируемые результаты работы [7] по- расширения. В этих условиях процедура нитридизации служили основанием для того, чтобы считать ширину за- подложки, формирование буферного слоя и начальная прещенной зоны лежащей в интервале 1.9–2.0 эВ. В пер- стадия роста сильнейшим образом влияют на степень вой из этих работ [6] сообщалось о пленках InN с кон- кристаллографического совершенства гетероэпитаксиальной пленки InN, наряду с такими параметрами, центрацией электронов в пределах 2 · 1016-1 · 1017 см-3, как температура роста TS, отношение потоков In/N которые были получены радиочастотным распылением и скорость роста. Подложки из сапфира Al2O3, оримишеней индия, предварительно обогащенных азотом.

В работе [7] также сообщалось о подвижности элек- ентированные вдоль (0001), чаще других материалов используются для гетероэпитаксии InN, поскольку они тронов, равной 2700 см2/В·с при комнатной температуре имеют гексагональную симметрию и легко доступны.

для образцов этой серии, и о ширине запрещенной Кроме того, используются подложки из кремния с зоны 1.89 эВ. Отметим, что ни в одной из более поздних работ такие значения концентрации электро- ориентацией (111) и (100), однако качество выращиваемого материала оказывается недостаточно высоким из-за нов и их подвижности в InN не были достигнуты.

смешивания кубической и гексагональной фаз InN [26].

Незамеченным осталось то, что подобные рекордные Предпринимались также попытки вырастить кубичехарактеристики пленок находились в противоречии с ский InN на подложках из GaAs (001) с буферным приведенным в работе [7] спектром поглощения для слоем InAs [27]. Однако даже при использовании в пленки с концентрацией электронов 1017 см-3. Этот качестве буфера хорошо сформированного слоя GaN спектр практически совпал с результатами оптических измерений [5] для материала с концентрацией элек- расхождение в параметрах кристаллической решетки оказывается достаточно большим ( 12%), что приводит тронов 3.3 · 1020 см-3. Прежде всего это совпадение к образованию структурных дефектов из-за релаксации относится к очевидному наличию в обоих спектрах края упругих напряжений.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |



© 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.