WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 8 Время-разрешенная фотолюминесценция поликристаллических слоев GaN на металлических подложках © А.В. Андрианов, К. Ямада, Х. Тампо, Х. Асахи, В.Ю. Некрасов, З.Н. Петровская, О.М. Сресели¶, Н.Н. Зиновьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт научных и промышленных исследований, университет г. Осака, 567-0047 Осака, Япония (Получена 13 февраля 2002 г. Принята к печати 14 февраля 2002 г.) Изучена низкотемпературная время-разрешенная фотолюминесценция поликристаллических слоев GaN, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на металлических подложках (Mo и Ta). Наблюдавшиеся спектры фотолюминесценции содержат в ультрафиолетовой области спектра две полосы излучения, одну из которых мы относим к рекомбинационным процессам внутри кубических нанокристаллитов, образующихся в гексагональной поликристаллической матрице нитрида галлия. Рекомбинационное излучение кубических нанокристаллитов усиливается благодаря преимущественному захвату неравновесных электронно-дырочных пар в эти кристаллиты.

1. Введение 2. Эксперимент Нитриды III группы в настоящее время интенсив- Слои GaN толщиной 0.4-0.5 мкм были выращены на но исследуются во многих научных центрах в связи металлических подложках (Mo, Ta) по МПЭ методике, с возможностью их применения в оптоэлектронных описанной в работе [8]. Результаты исследования поприборах, работающих в синей и ультрафиолетовой лученных слоев методом рентгеновской дифракции и областях спектра, а также в высокотемпературных элекатомно-силовой микроскопии свидетельствуют о том, тронных приборах. Несмотря на определенные успехи что слои содержат главным образом гексагональные в создании ряда приборов (лазеры голубого и фиокристаллиты размерами 400-800 и 100-300 нм для летового диапазона [1], мощные сверхвысокочастотные GaN/Mo и GaN/Ta соответственно. Детали, связанные с полевые транзисторы [2]), технология получения нитэтими измерениями, могут быть найдены в [8].

ридов III группы продолжает оставаться сложной и Фотолюминесценция исследовалась на спектроскочрезвычайно дорогой. Отчасти это связано с проблемой пической установке, включающей двойной решеточподложек [3], отчасти со спецификой эпитаксиального ный монохроматор ДФС-24, фотоумножитель ФЭУ-100, роста нитридов III группы [4]. Поэтому поиск путей бокс-кар интегратор BCI-280, а также управляющую снижения стоимости получения нитридов III группы и и регистрирующую компьютерную систему. Спектральприборов на их основе является чрезвычайно важной ное разрешение в измерениях составляло 3 мэВ. Врезадачей как в плане прикладных, так и фундаментальных менное разрешение системы порядка 10 нс. ФЛ воз исследований. Недавние успехи в методике выращивабуждалась излучением импульсного азотного лазера ния слоев нитридов III группы методом молекулярно( = 337 нм, p = 6нс). Интенсивность возбуждения сопучковой эпитаксии (МПЭ) привели к получению полиставляла 103 Вт/см2. Измерения проводились при темкристаллических слоев GaN с эффективной фотолюмипературах 78 и 4.2 K.

несценцией (ФЛ) [5,6]. Более того, было продемонстрировано получение слоев n- и p-типа проводимости [7].

Высококачественные поликристаллические слои GaN 3. Экспериментальные результаты получены также на металлических подложках (Mo, Ta, и их обсуждение W, Nb) [8]. Эти результаты открывают перспективы для создания сравнительно недорогих фотонных устройств На рис. 1 представлены типичные спектры ФЛ, измебольшой площади на основе поликристаллических слоев ренные в максимуме лазерного импульса при T = 78 K, нитридов. В то же время необходимы дальнейшие исдля двух типов исследованных эпитаксиальных слоев — следования причин высокоэффективной люминесценции GaN/Mo и GaN/Ta. Исследованные образцы давали фотов поликристаллическом GaN.

люминесценцию главным образом в фиолетовой и ближВ настоящей работе приведены исследования спекней ультрафиолетовой областях спектра. Интенсивность тров и кинетики затухания ФЛ в поликристаллических ФЛ в желто-зеленой области была очень слабой для слоях GaN, выращенных методом МПЭ на молибденовсех исследованных образцов, и по этой причине здесь вых и танталовых подложках.

мы рассматриваем только высокоэнергетическую часть ¶ E-mail: Olga.Sreseli@pop.ioffe.rssi.ru спектра излучения.

942 А.В. Андрианов, К. Ямада, Х. Тампо, Х. Асахи, В.Ю. Некрасов, З.Н. Петровская, О.М. Сресели...

3.26 эВ обусловлена краевым излучением из кубических GaN кристаллитов, вызванным в основном экситонной рекомбинацией.

Рентгеновские измерения [8] не обнаруживают кубической фазы в образцах GaN/Mo и GaN/Ta, исследованных в настоящей работе, что может быть объяснено малой объемной долей c-GaN в эпитаксиальных слоях.

Однако ФЛ от кубической фазы может быть зарегистрирована, даже если эта фаза занимает намного меньший объем, чем гексагональная (см., например, [11]). Если c-GaN представляет собой небольшие нанокристаллиты, расположенные среди значительно более крупных гексагональных кристаллитов, то возможен преимущественный захват неравновесных носителей заряда, созданных внешним возбуждением, в нанокристаллиты кубической фазы. Вследствие существенно меньшей ширины запрещенной зоны c-GaN, носители будут „скатываться“ из кристаллитов h-фазы в кристаллиты c-фазы. Данная ситуация аналогична преимущественному захвату носителей заряда в квантовые точки, внедренные в широкозонную матрицу (см., например, [12,13]). В результате такого захвата ФЛ кубической фазы может быть значительно усилена.

Рис. 1. Время-разрешенные спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слоев GaN на металлических подложках при T = 77 K с нулевой задержкой относительно лазерного импульса. 1 —GaN/Mo, 2 — GaN/Ta.

Спектры характеризуются двумя основными полосами излучения с максимумами при 3.465 и 3.259 эВ в случае GaN/Mo, а также при 3.470 и 3.260 эВ в случае GaN/Ta.

Излучение обеих полос ФЛ характеризуется быстрой кинетикой затухания (рис. 2), повторяющей форму лазерного импульса. Это свидетельствует о том, что время затухания ФЛ в обеих полосах меньше нескольких наносекунд. Полосы ФЛ с максимумами 3.465 и 3.470 эВ могут быть отнесены к краевому излучению гексагональных кристаллитов GaN.

Быстрая кинетика второй полосы ФЛ (3.26 эВ) не позволяет связать ее с донорно-акцепторной рекомбинацией (ДАР), как было сделано в работе [8] на основании результатов измерений стационарной ФЛ. Известно [9], что ДАР в GaN характеризуется неэкспоненциальной и относительно медленной кинетикой затухания ФЛ.

Кроме того, спектры ФЛ, измеренные с разрешением во времени, не показывают какого-либо изменения в положении и форме этой полосы при увеличении времени задержки между моментом регистрации спектра и максимумом лазерного импульса (рис. 3). Обращает на себя внимание то, что разница в энергиях максимумов ФЛ полос при 3.46-3.47 и 3.26 эВ близка к значению Рис. 2. Кинетика импульсов ФЛ структур GaN/Mo (a) и 200-210 мэВ, соответствующему разнице в ширинах GaN/Ta (b) при T = 77 K. Длины волн детектирования ФЛ, :

запрещенных зон гексагонального (h-GaN) и кубическо1 — 3578, 2 — 3800, 4 — 3610, 5 — 3802; 3 — лазерный го (c-GaN) нитридов галлия [10]. На основании этих импульс. По оси ординат кривые сдвинуты друг относительно данных мы полагаем, что полоса с максимумом при друга.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Время-разрешенная фотолюминесценция поликристаллических слоев GaN... к захватам в c-фазу электроны и дырки ведут себя одинаковым образом. Решения уравнений (1) и (2) в стационарном случае и при условии высоких уровней возбуждения (J 1/42e2) имеют вид J neh =, (3) Jx nxh =. (4) 1 + x x Если написать аналогичные уравнения баланса для кубической фазы:

dnec nec = J - n2 - + eneh, (5) ec dt e dnxc nxc = n2 + x nxh -, (6) ec dt x то, полагая, что свет генерирует электроны и дырки с той же эффективностью, как и в h-фазе, времена жизни для электронов и экситонов не зависят от того, в какой фазе они находятся; и в предположении высоких уровней возбуждения получаем в стационарном случае Рис. 3. Время-разрешенные спектры структуры GaN/Mo при T = 77 K. 1 — спектр при нулевой задержке между моменJ nec (7) = том регистрации спектра и максимумом лазерного импульса, 2 — задержка равна 100 нс.

и, используя (4), x x Jx (1 + 2x x ) Рассмотрим простую феноменологическую модель, nxc = Jx 1 + =. (8) 1 + x x 1 + x x описывающую этот эффект усиления ФЛ.

Запишем уравнения баланса для электронов и экситоИз (4) и (8) получаем отношение концентраций эксинов в кристаллитах гексагональной фазы с учетом ухода тонов в кубической и гексагональной фазах:

носителей в соседние кристаллиты c-фазы, полагая границы раздела кристаллитов „идеальными“ (без захвата nxc = 1 + 2x x. (9) носителей), а температуру настолько низкой, что можно nxh пренебречь термическим распадом экситонов:

Полагая, что излучательное время жизни экситонов dneh neh одинаково для c- и h-фаз, и учитывая разные объемы = J - n2 - - eneh, (1) eh dt e (Vc и Vh) люминесцирующего материала, получаем следующее отношение интенсивностей экситонной ФЛ I в pl dnxh nxh c- и h-фазах:

= n2 - - x nxh. (2) eh dt x Ic Vc pl = (1 + 2x x ). (10) Здесь neh и nxh — концентрации электронов и экситонов Ih Vh pl в h-фазе соответственно, J — темп генерации элекПроизведение x x в (10) есть число захватов экситронов светом, — коэффициент связывания носителей тонов, родившихся в гексагональных кристаллитах, в в экситон, e — частота захвата электронов в кубичекубическую фазу за время жизни экситона. Эта величина ские кристаллиты, x — частота захвата экситонов в может быть заменена отношением длины диффузии кубические кристаллиты, x — время жизни экситонов, экситона Ld к размеру гексагонального кристаллита L.

включая излучательные и безызлучательные рекомбиПоэтому выражение (10) может быть записано в следунационные процессы, e — время жизни электронов, ющем виде:

учитывающее процессы рекомбинации, иные, чем свяIc Vc Lзывание в экситон. В (1) и (2) предполагается так- pl d = 1 + 2. (11) же, что уровень возбуждения высокий и концентрация Ih Vh Lpl электронов равна концентрации дырок, а по отношению Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 944 А.В. Андрианов, К. Ямада, Х. Тампо, Х. Асахи, В.Ю. Некрасов, З.Н. Петровская, О.М. Сресели...

3.187 эВ и полуширинами 30 и 60 мэВ соответственно.

Линия с максимумом при 3.264 эВ, характеризующаяся временем затухания ФЛ меньше нескольких наносекунд, может быть отнесена к рекомбинации экситонов, связанных на нейтральных донорах (D0-X) в c-фазе GaN [16,17]. Излучение же линии 3.187 эВ характеризуется существенно неэкспоненциальной и медленной кинетикой ФЛ (сигнал ФЛ спадает от уровня 0.9 до уровня 0.1 за время порядка 400 нс). Кроме того, времяразрешенные спектры ФЛ показывают низкоэнергетическое смещение максимума этой линии с увеличением времени задержки между моментом регистрации спектра и максимумом лазерного импульса. Эти факты свидетельствуют в пользу того, что данная линия обусловлена донорно-акцепторной рекомбинацией в кубических кристаллитах.

В случае образцов GaN/Ta в низкотемпературном спектре ФЛ (рис. 4, кривая 2) видны две линии излучения от гексагональных кристаллитов — при 3.472 и 3.430 эВ — с полуширинами 18 и 30 мэВ соответственно.

Обе линии также характеризуются быстрой кинетикой затухания ФЛ. Линию при 3.472 эВ мы относим к рекомбинации экситонов, связанных на нейтральных Рис. 4. Спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слодонорах — D0-X. Линия же при 3.430 эВ может быть ев GaN на металлических подложках при T = 4.2K.

обусловлена рекомбинацией дырки с электроном, свя1 —GaN/Mo, 2 — GaN/Ta.

занным на глубоком доноре (h-D0-переход), имеющим энергию связи порядка 70 мэВ (эту энергию Ei можно оценить из соотношения h = Eg - Ei + kT/2, принимая Из (11) видно, что при малых размерах кристаллитов во внимание, что Eg 3.50 эВ в h-GaN [10]). Переход и достаточно больших диффузионных длинах экситонов h-D0 с участием донора с энергией порядка 80 мэВ ФЛ кубической фазы может быть сопоставима с ФЛ гекнаблюдался во многих работах, и данный донор многие сагональной фазы даже в случае малой объемной доли авторы связывают с примесью кислорода в GaN (см., кубических кристаллитов. Как отмечалось выше, разменапример, [18,19]). Возможно, что донорный центр в ры гексагональных кристаллитов для слоев GaN/металл, наших образцах имеет ту же природу, а уменьшение исследованных в настоящей работе, составляют нескольего энергии связи объясняется особенностями поведения ко сотен нанометров. Диффузионная длина экситонов в примеси кислорода в поликристаллическом GaN.

GaN должна быть порядка длины диффузии свободных Излучение кубических кристаллитов в образцах носителей, которая достигает нескольких микрометров в GaN/Ta при 4.2 K представляет собой асимметричную высококачественных образцах GaN [14]. Поэтому фактор линию с максимумом при 3.261 эВ и полушириной усиления ФЛ из кубических кристаллитов (1+2(Ld/L)2)2 27 мэВ. Спектральное положение линии позволяет в выражении (11) может достигать нескольких десятков.

отнести ее к D0-X-переходам в кубических кристаллиСпектры ФЛ образцов GaN/металл, наблюдаемые при тах. Асимметрия этой линии может быть обусловлена T = 4.2K (рис. 4), дают возможность более точно вкладом дополнительной более слабой линии излучения идентифицировать излучательные переходы.

с максимумом при 3.24 эВ.

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.