WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 9 Сенсибилизация люминесценции вюрцитных кристаллов GaN, легированных Eu и дополнительно введенной примесью Zn © В.В. Криволапчук¶, М.М. Мездрогинබ, Ю.В. Кожанова, С.Н. Родин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 января 2006 г. Принята к печати 18 января 2006 г.) Исследовалась возможность увеличения интенсивности внутрицентровых переходов иона Eu в кристаллах GaN путем введения дополнительной примеси для изменения локального окружения редкоземельного иона. Вюрцитные кристаллы p-GaN исходно были легированы Mg, а затем — европием. Введение дополнительной примеси Zn приводит к существенному увеличению интенсивности фотолюминесценции в области 3580-4250 и в длинноволновой области спектра 5400-6237. Это можно объяснить проявлением сенсибилизации люминесценции оптически-активных внутрицентровых f - f -переходов Eu3+ вследствие введения дополнительной примеси, способствующей образованию комплексов редкоземельного иона с большим сечением захвата носителей заряда.

PACS: 61.72.Vv, 61.72.Yx, 78.47.+p, 78.55.Cr 1. Введение так же как и обнаружение эффекта геттерирования тоже зависят от концентрации дефектов в исходной Исследование кристаллов GaN, легированных редко- полупроводниковой матрице.

земельными ионами (РЗИ), привлекает внимание ши- В настоящее время имеется ряд работ, в которых рокого круга исследователей вследствие возможности исследуется влияние как длины волны и интенсивности создания светоизлучающих приборов для различных возбуждения, так и дополнительного введения акцептообластей спектра. Кристаллы GaN, легированные Eu ра Mg на интенсивность и положение в спектре линии (GaN Eu ), в настоящее время рассматриваются как излучения, связанной с внутрицентровыми f - f -переодин из наиболее перспективных материалов для со- ходами Eu3+ в GaN [4]. Было показано, что интенсивздания светодиодов в длинноволновой видимой обла- ность внутрицентровых переходов РЗИ определяется не сти спектра = 622 нм [1–3]. Наличие широкозонной только тремя факторами — оптимальной концентрацией полупроводниковой матрицы GaN дает возможность оптически активных центров, транспортом неравновесработать p-i-n-структурам на основе этих материалов ных носителей заряда от полупроводниковой матрицы к РЗИ, интенсивностью и длиной волны возбуждения, при комнатной температуре или значительно выше, но и введением дополнительных примесей, способствуюпоскольку температурное гашение фотолюминесценции щих образованию комплексов РЗИ с большим сечением тем меньше, чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника [1]. Вместе с тем эффективность излу- захвата носителей заряда. Вместе с тем для достижения чения внутрицентровых f - f -переходов Eu мала вслед- максимального эффекта при уменьшении концентрации дефектов в полупроводниковой матрице важно обеспествие малой концентрации их в полупроводниковой чение не только оптимальной величины концентрации матрице, а также из-за большой концентрации центров легирующего компонента, но и обеспечение оптимальбезызлучательной рекомбинации, вследствие чего мала ного локального окружения РЗИ, что, в частности, опрезаселенность f - f -уровней. Известны методы увеличеделяет положение и интенсивность линии излучения ния интенсивности излучения: выращивались квантовые внутрицентровых f - f -переходов, характерных для РЗИ.

точки GaN Eu [2], оптимизировалась концентрация леЦель данной работы — выяснение влияния дополнигирующего компонента [3], вводилась дополнительная тельно введенной мелкой примеси Zn на изменение вида примесь — Mg [4], Er [5].

спектров близкокраевой фотолюминесценции (БКФЛ) Интенсивность и положение линии излучения, хакристаллов GaN с p- и n-типами проводимости, легирорактерной для внутрицентровых f - f -переходов Eu3+, ванных глубокой многозарядной примесью Eu, а также зависят от типа и концентрации дефектов в исходной пона интенсивнось излучения, обусловленного внутриценлупроводниковой матрице GaN. Это было установлено в тровыми f - f -переходами редкоземельного иона.

результате исследований объемных вюрцитных кристаллов GaN, полученных методом газофазной эпитаксии легированных редкоземельной (многозарядной) приме2. Методика эксперимента сью Eu [1]. Было показано, что природа электрической активности, т. е. будет ли Eu акцептором или донором, Для решения поставленной задачи использовали кри¶ сталлы GaN, полученные методом HVPE (хлорид-гидE-mail: Vlad.Krivol@mail.ioffe.ru ¶¶ E-mail: margaret.m@mail.ioffe.ru ридной газофазной эпитаксии в открытой системе) [1] с 1034 В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, Ю.В. Кожанова, С.Н. Родин n-типом проводимости, и кристаллы GaN, полученные методом MOCVD (разложением металлорганических смесей), легированные Mg, имеющие p-тип проводимости. Как и в работе [1], РЗИ были введены с помощью метода диффузии: термически наносилась пленка Eu.

В случае дополнительного легирования ко-допантом пленку Zn наносили на поверхность кристалла методом высокочастотного распыления (Zn-мишень) после нанесения пленки Eu, после чего проводился отжиг в атмосфере аммиака при температуре равной 1000-1050Cв течение 1-1.5ч.

Фотолюминесценция (ФЛ) возбуждалась азотным импульсным лазером (l = 3371 ) или гелий-кадмиевым непрерывным лазером (l = 3250 ) [1]. Оптические измерения проводились на дифракционном спектрометре СДЛ-2 с обратной линейной дисперсией 1.3 нм/мм в области краевой люминесценции GaN. Измерения проводились при температурах T = 300 и 77 K. Для корректного сравнения спектров излучения разных кристаллов контролируемые параметры в каждой серии Рис. 1. Спектры фотолюминесценции кристаллов GaN I типа:

экспериментов — угол падения луча, интенсивность воз1 — нелегированного, 2 — легированного Eu, 3 — легированбуждающего света, температура — были постоянными.

ного Eu + Zn. T = 77 K.

С целью идентификации энергетического положения многозарядовой глубокой примеси Eu исследовалось влияние дополнительной подсветки Ar-лазером интенсивности излучения (рис. 1, кривая 3), к попри варьировании длины волны (l = 4880, 5145 ) на явлению дублета в коротковолновой области спектра изменение вида спектров фотолюминесценции в кри( = 3480, FWHM = 27 мэВ, = 3560, FWHM = сталлах GaN с разными типами проводимости.

= 34 мэВ), а также линии = 3700 (E = 3.386 эВ, FWHM = 80 мэВ), интенсивность которой равна интенсивности дублета. Кроме того, имеется линия с 3. Экспериментальные результаты = 3830 (E = 3.261 эВ), совпадающая по длине воли их обсуждение ны с линией излучения в нелегированном кристалле и соответствующая ДАР, но интенсивность ее незначиКристаллы GaN, полученные методом HVPE при тельна. В длинноволновой области спектра были обнаиспользовании аргона в качестве газа-носителя, оборужены пики = 4600, 4800, 5300 с весьма малой инзначаются далее как кристаллы I типа; кристаллы, тенсивностью, характерные для внутрицентровых f - f полученные при использовании водорода, — II типа.

переходов Eu3+, соответствующие переходам D2-7F0, Вид спектра ФЛ нелегированного (исходного) кристалла 5 D2-7F1, D1-7F0 центра C2v с компенсацией кислороI типа, имеющего минимальные размеры неоднородда O2- [6]. Наличие кислорода в ближайшем окружении ностей поверхности, представлен на рис. 1 кривой 1.

иона Eu3+ может быть связано с присутствием его В спектре ФЛ имеется линия излучения с малой шикак в исходной полупроводниковой матрице, так и в риной на полувысоте пика FWHM = 47 мэВ в коротлегирующем компоненте Eu.

коволновой области спектра = 3470 (E = 3.54 эВ).

Таким образом, введение дополнительной мелкой приКроме того, просматривается линия излучения мамеси Zn привело к существенному увеличению интенлой интенсивности, соответствующая излучению экситосивности излучения в кристалах GaN Eu + Zn I типа по на, связанного на нейтральном доноре D0X, с энерсравнению с величиной интенсивности излучения при гией E = 3.46 эВ, а также интенсивная полоса излулегировании только Eu и к появлению новых линий чения = 3700-3800 (E = 3.26 эВ), соответствуюизлучения. Но увеличения интенсивности излучения в щая полосе излучения донорно-акцепторной рекомбинаобласти спектра, характерного для внутрицентровых ции (ДАР). После легирования Eu вид спектра БКФЛ f - f -переходов, не обнаружено. Можно предположить о изменился (см. рис. 1, кривая 2). Имеется только одна наличии лишь эффекта геттерирования и большой конлиния с положением максимума, соответствующая излуцентрации безызлучательных центров рекомбинации при чению экситона, связанного на нейтральном доноре D0X легировании, что является причиной малой интенсивно(E = 3.46 эВ, FWHM = 120 мэВ), что совпадает с даннысти излучения внутрицентровых f - f -переходов Eu3+ в ми, полученными в работе [1].

данной полупроводниковой матрице.

Дополнительное легирование кристалла цинком Кристаллы II типа имеют, как правило, одну линию (GaN Eu + Zn ) привело к существенному увеличению излучения ФЛ (E = 3.477 эВ, FWHM = 73 мэВ), которая Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Сенсибилизация люминесценции вюрцитных кристаллов GaN, легированных Eu... линии излучения = 5900 и 6182 наблюдаются независимо от природы локального окружения иона Eu3+ — кислород или азот.

Зарядовое состояние иона Eu3+ определялось с помощью мёссбауэровской спектроскопии. Мёссбауэровские спектры кристаллического фталоцианина европия при T = 295 и 77 K представляют собой одиночные уширенные линии (FWHM = 3.3 ± 0.3 мм/с). Их изомерный сдвиг относительно спектра соединения Eu2Oне зависит от температуры (0.36 ± 0.07 мм/с при и 77 K). Спектры соответствуют положению Eu3+ в структуре соединения, когда в локальном окружении иона Eu3+ находятся только атомы азота. Мёссбауэровские спектры пленочных образцов того же соединения, полученных методом вакуумного напыления, также представляют собой одиночные линии, параметры которых практически совпадают с параметрами спектров кристаллических образцов. Для пленочного соединения FWHM = 3.6 ± 0.5 мм/с и изомерный сдвиг составляет 0.4 ± 0.1 мм/с. Это свидетельствует о тождественности валентного и координационного состояРис. 2. Спектры фотолюминесценции кристаллов GaN II типа:

ний атомов европия в кристаллических и пленочных 1 — нелегированного, 2 — легированного Eu, 3 — легированобразцах фталоцианина. В спектре фотолюминесценного Eu + Zn. T = 77 K.

ции фталоцианина при T = 77 K имеется линия излучения = 6175, соответствующая внутрицентровым f - f -переходам иона Eu3+, что подтверждается данныне соответствует положению экситона, связанного на ми мёссбауэровской спектроскопии (спектры измеренейтральном доноре (E = 3.461 эВ). Влияние легироны при той же температуре, что и спектры ФЛ — вания Eu и Eu + Zn на вид спектров ФЛ кристаллов при T = 77 K). Таким образом, проведенное моделиGaN II типа представлено на рис. 2. Спектр исходрование позволяет предположить, что и в исследуемых ного кристалла — кривая 1. После легирования Eu кристалах GaN Eu + Zn ион европия имеет заряд +3 и (спектр 2) появляются линии, соответствующие излученаходится в окружении азота и кислорода.

нию экситона, связанного на нейтральном доноре D0X Необходимо отметить, что в результате комплексного (E = 3.461 эВ, FWHM = 83 мэВ), а также на нейтральлегирования исходных кристаллов GaN Mg европием и ном акцепторе A0X (E = 3.439 эВ), и полоса ДАР с цинком трансформируется морфология поверхности повесьма малой интенсивностью. После дополнительного лученного материала. Ранее в работе [7] отмечалось об введения Zn величина интенсивности БКФЛ увеличиваизменениях морфологии поверхности кристаллов GaN ется. Резко возрастает интенсивность линий A0X и D0X при легировании эрбием Er, но при легировании Eu и и увеличивается интенсивность полосы ДАР (рис. 2, дополнительно введенной мелкой примесью Zn данные кривая 3), что может свидетельствовать о проявлении неизвестны. Морфология поверхности кристаллов, спекэффекта сенсибилизации.

тры ФЛ которых приведены на рис. 2 (кривые 2, 3), поВ видимой области спектра имеются линии излучесле легирования Eu и Eu + Zn показана на рис. 3. Видно, ния с = 5900 и 6182, что соответствует внутричто дополнительное введение Zn существенно меняет центровым f - f -переходам Eu3+ (центры C3v с компенвид поверхности кристалла — приводит к образованию сацией O2-). Известно, что данное положение линий микро- и нанокластеров, имеющих форму пирамид. Как излучения характерно для ионов Eu3+ в окружении видно, размеры пирамид разные, но соотношения высот кислорода [6]. В кристаллах GaN основным компоненпирамид к размерам основания остаются практически том окружения иона Eu3+ должен быть азот. Однако одинаковыми. Образование таких кластеров, по всей данных о влиянии локального окружения ионами азота вероятности, является следствием процессов взаимодейна положение линий излучения Eu3+ нет, вследствие ствия Eu, имеющего малую величину поверхностной чего было проведено моделирование на массивных и энергии, и Zn, величина поверхностной энергии которопленочных образцах фталоцианина, легированного Eu, го больше. Таким образом, по аналогии с кинетикой рогде основным окружением иона Eu3+ является азот.

ста квантовых точек слой Eu можно рассматривать как В длинноволновой области спектра наблюдалась наибо- „wetting layer“, а дополнительно нанесенный методом лее интенсивная линия излучения = 6182, что соот- высокочастотного распыления верхний слой Zn образует ветствует внутрицентровому f - f -переходу Eu3+ [6], на- регулярно расположенные кластеры в форме пирамид.

ходящемуся в окружении иона кислорода. Имеется так- Подобная морфология поверхности наблюдалась в рабоже линия = 5900, характерная для излучения Eu3+, тах [8,9]. По всей вероятности, увеличение интенсивнос меньшей интенсивностью излучения. Таким образом, сти ФЛ и обусловлено появлением данных образований, Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1036 В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, Ю.В. Кожанова, С.Н. Родин на длине волны = 4245 (E = 2.91 эВ) и выраженными особенностями (максимумами) при = 3830, 4000, 4601. Необходимо отметить, что эта область длин волн соответствует излучению, отвечающему донорноакцепторной рекомбинации в кристаллах GaN, а максимумы = 3830, 4000, 4601 на фоне полосы B характерны для внутрицентровых f - f -переходов Eu3+. Наблюдается также заметное уменьшение интенсивности излучения линии с E = 3.455 эВ, т. е. линии экситона, связанного на нейтральном акцепторе A0X, и уменьшение величины FWHM этой линии до 16 мэВ. Значительное уменьшение как интенсивности, так и FWHM связано с тем, что ион Eu3+ выступает в роли уровня захвата, из-за чего ухудшается транспорт носителей к излучающим состояниям мелкого акцептора, определяющим интенсивность и FWHM линии A0X.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.