WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 9 Влияние увеличения дозы имплантации ионов эрбия и температуры отжига на фотолюминесценцию в сверхрешетках AlGaN/GaN и эпитаксиальных слоях GaN © А.М. Емельянов, Н.А. Соболев¶, Е.И. Шек, В.В. Лундин, А.С. Усиков, Е.О. Паршин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт микроэлектроники и информатики Российской академии наук, 150007 Ярославль, Россия (Получена 22 ноября 2004 г. Принята к печати 6 декабря 2004 г.) Исследована фотолюминесценция при комнатной температуре в сверхрешетках AlGaN/GaN и эпитаксиальных слоях GaN, имплантированных ионами эрбия с энергией 1 МэВ и дозой 3 · 1015 см-2 и отожженных в аргоне. Интенсивность фотолюминесценции ионов Er3+ в сверхрешетке выше, чем в эпитаксиальном слое при температурах отжига 700-1000C. Максимальное различие в интенсивностях для эпитаксиального слоя и сверхрешетки ( 2.8 раза) и максимальная интенсивность фотолюминесценции сверхрешетки наблюдаются после отжига при 900C. При увеличении температуры отжига до 1050C интенсивность излучения, связанного с эрбием, в сверхрешетке существенно уменьшается, что может быть связано с термодеструкцией сверхрешетки.

Основное достоинство светоизлучающих структур на Сверхрешетки Al0.26Ga0.74N/GaN (толщина слоев основе полупроводников, легированных редкоземельны- 5 нм, 148 периодов) были выращены методом газофазми (РЗ) элементами, заключается в узкой линии люми- ной эпитаксии из металлорганических соединений несценции и независимости длины волны излучения от (MOCVD) на модифицированной установке Epiquip температуры. Примесь эрбия вызывает наибольший ин- VP-50 RP с горизонтальным кварцевым реактором и терес, поскольку длина волны излучения ( 1.54 мкм) графитовым держателем, имеющим индукционный насоответствует минимуму потерь и минимуму дисперсии грев. Рост начинался с осаждения низкотемпературного в волоконно-оптических линиях связи. Для основного (500C) слоя зародышеобразования AlGaN на сапфиматериала полупроводниковой электроники — моно- ровой подложке с ориентацией (0001) с последуюкристаллического кремния, характеризующегося относи- щим эпитаксиальным ростом при 1050C и давлении тельно малой шириной запрещенной зоны, наблюдается 200 мбар. Структуры состояли из слоя зародышеобрасильное (до нескольких порядков величины) гашение зования AlGaN толщиной 20 нм, буферного слоя GaN интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) ионов Er3+ толщиной 200 нм и сверхрешетки с ямами GaN и при увеличении температуры от 77 до 300 K. Экспери- барьерами AlGaN одинаковой толщины. Для сравнения в ментально было установлено, что этот эффект ослабева- тех же режимах выращивались слои GaN, легированные ет с ростом ширины запрещенной зоны и практически Si, толщиной 3 мкм. Более подробно условия эпитаксинезначителен в GaN [1]. Поэтому легированные эрбием ального роста описаны в [4]. Ионы эрбия с энергией слои GaN и других III-нитридов интенсивно исследова- E = 1 МэВ и дозой 3 · 1015 см-2 имплантировались при лись [2]. Однако оказалось, что интенсивность люминес- комнатной температуре. Согласно данным обратного ценции ионов Er3+ в них недостаточно высокая. Это мо- резерфордовского рассеяния (RBS) протонов с энергией жет быть связано с низкой эффективностью возбуждения 230 кэВ аморфизации имплантируемого слоя не проислюминесценции РЗ ионов в объемном полупроводнике, ходило. Отжиги проводились в диапазоне температур поскольку оптические переходы между f -состояниями 700-1050C с шагом 100C и выдержкой при каждой частично запрещены правилами отбора. Авторы ратемпературе в течение 5 мин в потоке аргона. Фотоботы [3] теоретически показали, что на гетерогранилюминесценция возбуждалась излучением галогеновой це возбуждение f -электронов более эффективно, чем лампы с длинами волн >360 нм, выделяемым полосов объемном полупроводнике [3]. Недавно нами впервым фильтром из оптического стекла СЗС-24 [4]. Мощвые наблюдался эффект увеличения интенсивности ФЛ ность излучения, сфокусированного линзовой системой ионов Er3+ в сверхрешетках AlGaN/GaN по сравнению на образце, во всех экспериментах поддерживалась пос эпитаксиальными слоями GaN при дозе имплантации стоянной и составляла 50 мВт. Для регистрации ФЛ 1 · 1015 см-3 [4]. Цель настоящей работы заключалась в диапазоне 0.95-1.65 мкм использовались монохромав исследовании влияния повышенной в 3 раза дозы тор МДР-23 и InGaAs-фотоприемник, работающий при имплантации ионов эрбия и температуры отжига на ФЛ комнатной температуре. Световой поток от галогеновой в сверхрешетках и эпитаксиальных слоях.

лампы модулировался прерывателем с частотой 36 Гц.

¶ Импульсы фототока приемника преобразовывались в E-mail: nick@sobolev.ioffe.rssi.ru переменное напряжение, которое регистрировалось с Влияние увеличения дозы имплантации ионов эрбия и температуры отжига на фотолюминесценцию... помощью селективного вольтметра. Разрешение систе- на длине волны = 1.542 мкм обусловлен переходами мы составляло 7нм. ионов Er3+ из первого возбужденного состояния (4I13/2) На рис. 1 приведены измеренные при 300 K спек- в основное состояние (4I15/2).

тры ФЛ сверхрешетки AlGaN/GaN и эпитаксиально- Важно отметить, что форма спектров и положение го слоя GaN, имплантированных ионами эрбия дозой максимумов для этих пиков в сверхрешетке и эпитакси3 · 1015 см-2, после отжига в температурном режиме альном слое не различаются. Широкая полоса в области (700 + 800 + 900)C. Спектры нормированы на макси- 1.05-1.4 мкм с максимумом при 1.2 мкм связана мальные значения интенсивности ФЛ в каждом образце. с ФЛ дефектов, введенных в процессе имплантации Наиболее интенсивный пик излучения с максимумом и последующих отжигов, поскольку подобная полоса наблюдалась после отжига эпитаксиальных слоев GaN, имплантированных ионами эрбия [4], неодима [5] и хрома [6]. Пик с максимумом на длине волны 0.994 мкм обусловлен излучательными переходами из второго возбужденного состояния ионов Er3+ (4I11/2) в основное состояние (4I15/2). Форма пика и положение максимума, как и в случае переходов из первого возбужденного состояния в основное, для сверхрешетки и эпитаксиального слоя совпадают.

На рис. 2 приведены зависимости интенсивности ФЛ ионов Er3+ ( = 1.542 мкм) и связанных с имплантацией и отжигом дефектов (в максимуме распределения по длинам волн при 1.2мкм) от температуры отжига Tann для сверхрешетки AlGaN/GaN и эпитаксиального слоя GaN, имплантированных ионами эрбия дозой 3 · 1015 см-2. Как видно из рис. 2, интенсивность эрбиевой ФЛ в сверхрешетке выше, чем в монокристаллическом GaN при температурах отжига 700 Tann 1000C. Максимальная интенсивность в Рис. 1. Спектры ФЛ сверхрешетки (1) и эпитаксиального сверхрешетке достигается при Tann 900C, тогда как в слоя (2) после отжига при (700 + 800 + 900)C, нормироэпитаксиальном слое при Tann 1000C. При этом макванные на максимальные значения интенсивности в каждом симальное различие в интенсивностях ФЛ ионов эрбия в образце.

сверхрешетке и эпитаксиальном слое наблюдается после отжига при 900C и составляет 2.8 раза. При увеличении температуры отжига до 1050C интенсивность эрбиевой ФЛ в сверхрешетке существенно уменьшилась, что может быть связано с термодеструкцией (размытием границ) слоев, образующих сверхрешетку. Интенсивность ФЛ дефектов в сверхрешетке и эпитаксиальном слое возрастает с ростом температуры.

На рис. 2 пунктирной линией отмечен максимальный уровень интенсивности ФЛ ионов эрбия, достигнутый в сверхрешетке при дозе имплантации 1 · 1015 см-2.

Подробное описание результатов исследования при этой дозе опубликовано в [4]. Как видно из рисунка, увеличение дозы имплантации в 3 раза привело к увеличению максимальной интенсивности ФЛ в 2.3 раза.

Это позволяет предположить, что дальнейшее увеличение интенсивности эрбиевой ФЛ может быть достигнуто за счет дальнейшего увеличения дозы имплантации.

Таким образом, установлено, что при дозе имплантации ионов эрбия 3 · 1015 см-2 имеет место увеличение (до 2.8 раз) интенсивности ФЛ ионов Er3+ Рис. 2. Зависимости интенсивности ФЛ ионов Er3+ при в сверхрешетках по сравнению с эпитаксиальными слоя = 1.542 мкм (1Er и 2Er) и дефектов при 1.2мкм (1D ми при одинаковых температурах постимплантационнои 2D) от температуры отжига для сверхрешетки (1Er и 1D) и эпитаксиального слоя (2Er и 2D). го отжига. Наблюдавшееся увеличение интенсивности, Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1082 А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, Е.И. Шек, В.В. Лундин, А.С. Усиков, Е.О. Паршин во-видимому, обусловлено более эффективным возбуждением f -электронов вблизи гетерограниц, как это было предсказано теоретически в работе [3].

Авторы выражают благодарность В.И. Сахарову и И.Т. Серенкову за проведение RBS-измерений.

Работа частично поддержана Президиумом РАН (комплексная программа научных исследований Президиума РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“).

Список литературы [1] P.N. Favennec, H. L’Harridon, D. Moutonnet, M. Salvi, M. Gauneau. Jap. J. Appl. Phys., 29, L524 (1990).

[2] A.J. Steckl, J.M. Zavada. MRS Bulletin, 24, 33 (1999).

[3] G.G. Zegrya, V.F. Masterov. Appl. Phys. Lett., 73, 3444 (1998).

[4] N.A. Sobolev, A.M. Emel’yanov, V.I. Sakharov, I.T. Serenkov, E.I. Shek, A.I. Besyul’kin, W.V. Lundin, N.M. Shmidt, A.S. Usikov, E.E. Zavarin. Physica B, 340–342, 1108 (2003).

[5] E. Silkowski, Y.K. Yeo, R.L. Hengehold, R. Goldenberg, G.S. Pomrenke. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 422, 69 (1996).

[6] S. Kim, S.J. Rhee, D.A. Turnbull, E.E. Reuter, X. Li, J.J. Coleman, S.G. Bishop. Appl. Phys. Lett., 77, 231 (1997).

Редактор Л.В. Шаронова Influence of increasing Er ion implantation dose and annealing temperature on photoluminescence in AlGaN/GaN superlattices and GaN epitaxial layers A.M. Emel’yanov, N.A. Sobolev, E.I. Shek, W.V. Lundin, A.S. Usikov, E.O. Parshin Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia Institute of Microelectronics and Informatics, Russian Academy of Sciences, 150007 Yaroslavl’, Russia

Abstract

Photoluminescence in AlGaN/GaN superlattices and GaN epitaxial layers implanted by Er ions with 1 MeV energy and 3 · 1015 cm-2 dose and annealed in argon has been investigated at room temperature. A photoluminescence intensity of Er3+ ions in the superlattices is higher than that in the epitaxial layers at an temperature over (700-1000)C range. The maximum differences in intensity values ( 2.8 times) and the maximum intensity in the superlattices are observed after annealing at 900C. Photoluminescence intensity in the superlattices decreases essentially as an annealing temperature rises up to 1050C. The effect can be caused by thermodestruction of superlattice.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




© 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.