WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 9 Элементарные полосы голубого свечения нелегированных пленок нитрида галлия ¶ © А.Н. Грузинцев, А.Н. Редькин, В.И. Таций, C. Barthou, P. Benalloul Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия Universit P. et M. Curie, 75252 Paris, France (Получена 8 января 2004 г. Принята к печати 12 января 2004 г.) Обнаружено наличие неоднородного уширения синей полосы люминесценции специально не легированных пленок нитрида галлия, выращенных методом химических транспортных реакций на подложках сапфира ориентации (0001) и кремния ориентации (111). Проведенные исследования спектров свечения при различных условиях возбуждения пленок GaN позволили обнаружить при комнатной температуре в синей спектральной области их люминесценции 3 элементарные полосы с максимумами 2.65, 2.84 и 3.01 эВ.

Сделаны предположения о типе собственных и примесных дефектов, участвующих в формировании различных центров синего свечения в GaN.

1. Введение линий [6]. В опубликованных до настоящего времени работах по „чистому“ GaN положение максимума и Современное состояние оптоэлектроники требует по- полуширина синей линии имеют, как правило, отличные иска материалов с преобладающим излучением в синем значения у разных авторов. Это говорит о неоднородном и ультрафиолетовом спектральных диапазонах [1]. В на- уширении синего свечения, обусловленном как различстоящее время наиболее перспективным для создания ным средним расстоянием в кристаллической решетке светоизлучающих структур в данной области спектра между донором и акцептором пары, так и большим считается нитрид галлия и твердые растворы на его количеством разнообразных типов доноров и акцепторов основе. Особенно важно получение полупроводниковых в исследованных образцах. Тип превалирующих центров материалов AlxGa1-xN и структур на их основе с мо- синей излучательной рекомбинации в каждом случае нохроматическим свечением в экситонной области. Для зависит от технологии приготовления пленок [7].

этого необходимо получение тонких пленок широкозон- В данной работе методами оптической спектроскопии ных полупроводников высокого кристаллического каче- проведено разложение синей полосы люминесценции ства, поскольку собственные дефекты кристаллической нелегированных пленок GaN на несколько элементаррешетки и неконтролируемые примесные доноры или ных составляющих, связанных с различными центрами акцепторы могут вызвать длинноволновый сдвиг крае- свечения.

вой люминесценции и появление широких неоднородно уширенных полос свечения в так называемой примесной 2. Методика эксперимента области спектра [2,3].

Нитрид галлия — прямозонный материал, гексагоПленки нитрида галлия были синтезированы модифинальная модификация которго имеет ширину запрецированным хлоридно-гидридным методом химических щенной зоны 3.39 эВ, является наиболее перспективтранспортных реакций (CVD). В отличие от традициным для получения светоизлучающих диодов и других онной методики, в данном случае в качестве исходисточников света в синем и ультрафиолетовом спекных компонентов использовали металлический галлий тральных диапазонах. Ультрафиолетовое свечение GaN (99.999%) и хлорид аммония (марки ОСЧ). Высокообусловлено рекомбинацией свободных и связанных чистый азот (марки ПНГ) служил газом-носителем.

экситонов гексагональной фазы. Согласно литературПроцесс проводили в двухзонном горизонтальном кварным данным [4,5], голубое свечение с максимумом цевом реакторе. В первой зоне осуществлялось взаипри 2.7 эВ обусловлено излучательной рекомбинацией модействие галлия, нагретого до температуры 400C, внутри донорно-акцепторных пар (ДАП). В качестве дос хлоридом аммония. Образующиеся при этом пары казательства природы голубой полосы люминесценции моноаммиаката трихлорида галлия потоком азота пеприводится коротковолновый сдвиг ее максимума с увереносились во вторую зону, где разлагались с обраличением интенсивности возбуждения. Существенным зованием нитрида галлия. Температура пиролиза содоказательством ДАП природы голубой люминесценставляла 950C. В качестве подложки использовали ции было обнаружение линейчатого спектра свечения, кремний (111) и сапфир (0001). Полученные пленки состоящего из отдельных близко расположенных узких нитрида галлия, согласно данным электронной микро¶ скопии, имели поликристаллическую структуру со средE-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru Fax: 095 9628047 ними размерами отдельных кристаллитов около 0.4 мкм 1040 А.Н. Грузинцев, А.Н. Редькин, В.И. Таций, C. Barthou, P. Benalloul и хорошо выраженной кристаллической огранкой. Они обладали электронным типом проводимости с довольно низким удельным сопротивлением 10 Ом · см.

Спектры люминесценции регистрировались при возбуждении азотным лазером с длиной волны 337.1 нм (Photonics LN 1000, с длительностью импульса 0.6 нс и энергией в импульсе 1.4 мДж) или перестраиваемым по длине волны излучением ксеноновой лампы, прошедшим через монохроматор. Люминесценция образца собиралась перпендикулярно к поверхности оптическим волноводом, расположенным на расстоянии 10 мм, и анализировалась с помощью спектрометра (Jobin-Yvon Spectrometer HR 460) и многоканального детектора (PM Hamamatsu R5600U). Измерения спектров фотолюминесценции пленок GaN проводились в оптическом криоРис. 1. Спектры фотолюминесценции при возбуждении азотстате при температурах жидкого азота и комнатной.

ным лазером пленок GaN, выращенных на Si (кривая 1) и сапфире (кривая 2) при температуре T = 300 K, а также при температуре T = 80 K для пленок GaN на сапфире (кривая 3).

3. Результаты исследований и их обсуждение Два типичных спектра фотолюминесценции (ФЛ) наших пленок GaN на подложках кремния и сапфира, зарегистрированные при возбуждении азотным лазером, приведены на рис. 1. Как видно из рисунка (кривые и 2), независимо от используемой в процессе синтеза подложки, при комнатной температуре в спектре свечения можно выделить 2 максимума при 2.85 и 3.0 эВ, а также длинноволновое плечо при 2.68 эВ. Уменьшение температуры измерений до 80 K (рис. 1, кривая 3) вызывает, кроме увеличения интенсивности всех полос, существенный сдвиг положения коротковолнового максимума до 3.05 эВ. Отметим сразу, что сложная структура синей полосы люминесценции пленок GaN не обусловлена интерференцией света на их гранях. Дело в том, что Рис. 2. Спектры фотолюминесценции пленки GaN, выращеннаши образцы имели развитую зернистую структуру, ной на Si с ориентацией (111), при различных интенсивностях приводящую к сильному рассеянию света. Ввиду этого возбуждающего азотного лазера I: 1 — I0, 2 — 0.47 I0, пленки на глаз были матовыми и интерференция в них 3 —0.31 I0, 4 —0.12 I0, 5 —0.01 I0, где I0 = 2 МВт/см2 — отсутствовала. Указанные выше особенности спектров максимальная пиковая интенсивность. Температура измерений ФЛ не могут быть связаны с фононными повторениями T = 300 K.

коротковолнового пика из-за большого (по сравнению с энергией фононов) энергетического расстояния между ними. Температурная зависимость энергетического пленок GaN говорит о присутствии по меньшей мере положения пиков синего свечения (кривые 2 и 3) 3 элементарных составляющих полос в ее составе.

свидетельствует о различии соответствующих центров излучательной рекомбинации. Если эти элементарные полосы не перекрываются ни при какой длине волны (все 3 полосы одновременДля разделения сложной полосы синего свечения но), то можно использовать математическую процедуру GaN на элементарные составляющие мы исследовали зависимость формы регистрируемого спектра от интен- Аленцева–Фока для из разделения в спектре. Но мы сивности возбуждающей лазерной линии (рис. 2). Видно, использовали чисто экспериментальный спектральный что при максимальной интенсивности в спектре ФЛ пре- метод селективного возбуждения элементарных полос обладает полоса с максимумом при 2.85 эВ (кривая 1). для их разделения в сложном спектре. Дело с том, Уменьшение интенсивности возбуждения азотного ла- что разные центры свечения должны иметь различные зера на 2 порядка (кривая 5) приводит к преоблада- спектры возбуждения. Поэтому использование перестранию в сигнале коротковолнового пика при 3.0 эВ и к иваемого по длине волны света ксеноновой лампы, пропрактическому исчезновению длинноволнового плеча на пущенного через монохроматор, позволяет возбуждать кривой свечения. Такое поведение синей люминесценции не все сразу центры люминесценции (как при зона– Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Элементарные полосы голубого свечения нелегированных пленок нитрида галлия в соответствующих спектрах ФЛ присутствуют только связанные с ними полосы свечения. Так, в формировании кривой 4 участвуют только 2 синие полосы с максимумами при 2.68 и 2.85 эВ. В этом случае путем вычитания спектра 4 из спектра 3, нормированного на максимум при 2.85 эВ, можно получить элементарную коротковолновую составляющую спектра с максимумом при 3.01 эВ (рис. 4, кривая 2). Аналогичным образом вычитание кривых 3 и 2 (рис. 3) дает длинноволновую составляющую синего свечения пленок GaN с максимумом при 2.65 эВ (рис. 4, кривая 3). И наконец, вычитание из спектра ФЛ при возбуждении светом ксеноновой лампы с энергией кванта 3.31 эВ (рис. 4, кривая 1) уже найденных коротковолновой и длинноволновой полос (кривые 2 и 3) дает третью элементарную полосу Рис. 3. Спектры фотолюминесценции пленки GaN, вырасиней люминесценции с максимумом при 2.84 эВ (рис. 4, щенной на сапфире с ориентацией (0001), при различных кривая 4). Таким образом, на рис. 4 представлено разэнергиях кванта возбуждающего света ксеноновой лампы, эВ:

ложение синей полосы люминесценции пленки GaN на 1 — 4.96, 2 — 3.57, 3 — 3.31, 4 — 3.1. Температура измерений 3 элементарные составляющие полосы, обусловленные T = 300 K.

различными центрами рекомбинации нелегированного нитрида галлия.

Как мы отмечали выше [5–8], большинство авторов связывает синее свечение нитрида галлия с излучательной рекомбинацией донорно-акцепторных пар (ДАП), где в качестве доноров выступают собственные (вакансии азота) или примесные (например, кремний или хлор) дефекты. В наших пленках GaN о наличии доноров свидетельствует также довольно низкое удельное сопротивление материала (10 Ом · см). Причем, если вакансии азота вызваны отклонением состава пленок от стехиометрии в процессе роста, то примесь кремния могла появиться из кварцевых труб, использованных в процессе синтеза, а примесь хлора — из газа, использованного в качестве носителя в хлоридно-гидридном методе химических транспортных реакцией (CVD). ОтРис. 4. Спектр фотолюминесценции пленки GaN, выращенметим, что, согласно нашим результатам (рис. 1 и 2), ной на сапфире с ориентацией (0001), при энергии кванта из 3 выделенных нами синих полос ФЛ нелегированного возбуждающего света ксеноновой лампы 3.31 эВ (кривая 1) GaN коротковолновая полоса с максимумом при 3.01 эВ и его разложение на элементарные составляющие полосы имеет отличную от других температурную зависимость (кривые 2, 3 и 4). Температура измерений T = 300 K.

и зависимость от интенсивности возбуждения. Так, если полосы с максимумами 2.65 и 2.84 эВ сдвигаются в коротковолновую область на 0.01-0.02 эВ при понизонном возбуждении азотным лазером), а лишь часть жении температуры до 80 K, то полоса 3.01 эВ — из них.

на 0.05 эВ (рис. 1). При этом малые температурные смеТем самым полоса синей люминесценции GaN может щения положения максимума характерны для излучасузиться за счет исчезновения в спектре некоторых тельной рекомбинации с участием донорно-акцепторных составляющих полос свечения (рис. 3). Хорошо видно, пар. Рекомбинация возбужденных электронов из зоны что уменьшение энергии квантов возбуждающего света проводимости на акцепторный уровень имеет более приводит не только к изменению соотношения интен- сильную температурную зависимость. По нашему мнесивностей исследуемых полос синего свечения, но и нию, последнему случаю как раз соответствует самый к полному исчезновению коротковолновой полосы при коротковолновый из обнаруженных нами пиков ФЛ. Два возбуждении с энергией 3.1 эВ (кривая 4). Это связано других пика можно отнести к излучению ДАП.

с тем, что при возбуждении пленок нитрида галлия Наши предыдущие работы [8,9] о влиянии на спектр квантами с энергией меньше ширины запрещенной зоны свечения нитрида галлия отжига в активированных паначинается селективное прямое возбуждение тех или рах азота показывают, что акцептором в формировании иных центров свечения. В дальнейшем идет излуча- центров синего свечения является скорее всего двухзательная рекомбинация именно возбужденных центров, а рядная вакансия галлия. Однозарядное состояние этой 2 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1042 А.Н. Грузинцев, А.Н. Редькин, В.И. Таций, C. Barthou, P. Benalloul вакансии уже дает центры ульрафиолетовой краевой The blue emission elementary bands люминесценции. Если предположить, что наша коротof undoped gallium nitride films коволновая полоса с максимумом 3.01 эВ связана с пеA.N. Gruzintsev, A.N. Redkin, V.I. Tatsii, C. Barthou, реходами носителей из зоны проводимости на вакансию P. Benalloul галлия, то ее положение относительно валентной зоны будет EV + 0.38 эВ. Этот результат хорошо согласуется Institute of Microelecrtonics Technology, с результатами авторов [10]. Что касается природы доRussian Academy of Sciences, норных дефектов в формировании ДАП, ответственных 142432 Chernogolovka, Russia за элементарные полосы синего свечения с максимуUniversit P. et M. Curie, мами при 2.65 и 2.84 эВ, то это либо собственные 75252 Paris, France дефекты — вакансии азота, либо примеси кремния и хлора, неконтролируемо попадающие в пленки GaN в

Abstract

Found has been the presence of the blue emission процессе синтеза.

inhomogeneus spread of specialy undoped gallium nitride films grown by chemical vapor deposition method on a sapphire substrate with (0001) orientation and on a silicon substrate 4. Заключение with (111) orientation. Investigations of the GaN films emission Таким образом, исследования спектров свечения пле- spectra under defferent excitation conditions have shown at room temperature three elementary bands with a maximum at 2.65, 2.84, нок GaN при различной интенсивности и длинах волн оптического возбуждения показали наличие неоднород- and 3.01 eV in the blue spectral region.

ного уширения. Методами селективной спектроскопии в синей области свечения нелегированных пленок нитрида галлия выделены 3 элементарных полосы люминесценции с максимумами 2.65, 2.84 и 3.01 эВ. Обнаружены различные механизмы излучательной рекомбинации, обусловливающие данные полосы ФЛ. Если полосы с максимумами 2.65 и 2.84 эВ связаны с рекомбинацией носителей внутри донорно-акцепторных пар, то коротковолновая полоса с максимумом 3.01 эВ — с рекомбинацией электронов из зоны проводимости на акцепторный уровень вакансии VGa.

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.