WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 10 Исследование тонких пленок GaN, подвергнутых кратковременному высокотемпературному отжигу © Н.И. Кацавец, G.M. Laws, I. Harrison, E.C. Larkins, T.M. Benson, T.S. Cheng†, C.T. Foxon† ЗАО «Полупроводниковые приборы», 192281 Санкт-Петербург, Россия Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Nottingham, Nottingham NG7 2RD, England † Department of Physics, University of Nottingham, Nottingham NG7 2RD, England (Получена 11 февраля 1998 г. Принята к печати 24 февраля 1998 г.) Проведены детальные исследования влияния кратковременного высокотемпературного отжига в атмосфере азота и аргона на свойства тонких пленок GaN, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на сапфировых подложках. Обнаружено улучшение кристаллического качества таких пленок после отжига.

Низкотемпературные измерения фотолюминесценции показали существенное увеличение примесной рекомбинации вблизи края фундаментального поглощения после кратковременного высокотемпературного отжига в азотной атмосфере. Значительное уменьшение примесной фотолюминесценции наблюдалось после отжига пленок GaN с защитными слоями SiO2.

1. Введение Настоящая работа посвящена детальному исследованию влияния КВТО, проведенного в N2 и в аргоноНитриды элементов III группы, в частности GaN, вой (Ar) атмосфере, на кристаллические и оптические представляют значительный научный и практический свойства (морфологию поверхности, кристаллическое интерес. Это прежде всего связано с возможностью качество, ФЛ) тонких пленок GaN.

получения на их основе полупроводниковых лазеров и светодиодов, излучающих в синей и ультрафиолетовой 2. Исследуемые образцы и методики областях спектра, а также высокотемпературных элекпроведения измерений тронных приборов [1].

Известно, что оптические и электронные свойства В экспериментах исследовались пленки GaN пленок GaN существенно зависят не только от условий n-типа проводимости с концентрацией электронов роста, но и от постростовой обработки. Например, для n 1017 см-3 и толщиной 1 мкм. Такие пленки были получения проводимости p-типа слои GaN, легированвыращены на сапфировых подложках ориентации ные Mg, подвергаются высокотемпературному отжигу.

[0001] с использованием установки Varian Modular В этом случае отжиг разрушает H–Mg-связи, что актиGen II MBE со скоростью 0.3 мкм/ч при температуре визирует Mg как акцепторную примесь [2,3].

700C. В качестве источника N2 использовался источник Авторы работы [4] отмечали увеличение интенсивOxford Applied Research CARS 25 с RFC-разрядником ности электролюминесценции легированных Mg диодов после их кратковременного высокотемпературного от- на 13.5 МГц. Конструкция экспериментальной технологической установки и особенности азотного жига (КВТО) при температуре 1150C.

RFC-источника подробно описаны в работе [7].

Существенное увеличение интенсивности фотолюмиКВТО осуществлялся в кварцевом реакторе при темнесценции (ФЛ) и улучшение морфологии поверхности пературе 100C в течение 30 с в потоке N2 или Ar.

после КВТО в атмосфере азота (N2) обнаружили также Нагревание образцов, помещенных на Si-держатель, проавторы работы [5], которые изучали влияние КВТО изводилось кварцевой лампой. Исследовались как не на физические свойства нелегированных относительно покрытые (не защищенные) пленки GaN, так и покрытые толстых ( 5мкм) пленок GaN, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соедине- слоями SiO2. Такие слои наносились методом химического осаждения из газовой фазы.

ний (MOCVD).

Кроме того, в литературе встречаются сообщения об Для возбуждения ФЛ использовался He–Cd-лазер фируспешном примении КВТО при ионной имплантации мы Kimmon с длиной волны генерации 325 нм (энерлегирующих примесей в пленки GaN [6]. гия 3.815 эВ) и максимальной оптической мощностью Таким образом, исследование влияния КВТО на свой- около 5 мВт. Луч He–Cd-лазера фокусировался на образства пленок GaN (таких как кристаллическое качество, це в пятно диаметром около 100 мкм и при необхоморфологию поверхности, оптические свойства и т. п.) димости ослаблялся с помощью нейтральных стекляннеобходимо как для понимания процессов, происходя- ных светофильтров. ФЛ образцов анализировалась с щих при КВТО, так и для разработки постростовой тех- помощью монохроматора 0.75 Spex с шириной щелей нологии изготовления приборов на основе таких пленок. 0.2 мм, что обеспечивало спектральное разрешение по1176 Н.И. Кацавец, G.M. Laws, I. Harrison, E.C. Larkins, T.M. Benson, T.S. Cheng, C.T. Foxon Рис. 1. Спектры ФЛ пленок GaN при комнатной температуре до (a) и после (b) КВТО.

рядка 1 мэВ в области краевой ФЛ, и регистрировалась ца относительно падающего рентгеновского луча на ”bi–alkali”-фотоумножителем. Усиление и детектирова- угол осуществлялось изменение положения приемника ние сигнала осуществлялось с помощью стандартного на угол 2. В этом случае полуширина спектра отраже”lock–in”-усилителя.

ния 21/2 давала информацию о разбросе параметра Для низкотемпературных измерений ФЛ использорешетки в пленке GaN.

вался специальный гелиевый криостат, обеспечиваюВо втором случае измерялся угловой спектр рентщий стабилизацию температуры (T ) в диапазоне от геновского отражения от образца () без изменения до 300 K с точностью ±0.5K.

положения приемника. В этом случае его полуширина При проведении рентгеновских измерений регистри1/2 давала информацию о разориентации кристаллировалось отражение линии Cu K1 от плоскости (0002) тов, из которых состоит пленка GaN [8].

образцов GaN. Измерения спектров рентгеновского отМорфология поверхности исследовалась с помощью ражения производились двумя способами. Первый — профилометра, обеспечивающего точность измерения стандартная регистрация ”кривых качания” (2), когда одновременно с изменением углового положения образ- шероховатости поверхности порядка 1 нм.

Положение максимума Образцы 21/2, град 1/2, град отражения 2, град Исходный GaN 34.574 0.099 0.GaN, КВТО в N2 34.563 0.074 0.GaN, КВТО в Ar 34.553 0.073 0.GaN, с SiO2, КВТОв N2 34.566 0.069 0.Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Исследование тонких пленок GaN, подвергнутых кратковременному высокотемпературному отжигу Рис. 2. Низкотемпературные спектры ФЛ исходных пленок GaN (a), незащищенных пленок GaN после КВТО в атмосфере N2 (b) и Ar (d), пленок GaN с защитным слоем SiO2 после КВТО в атмосфере N2 (c). T = 10 K.

3. Экспериментальные результаты КВТО говорит об уменьшении разориентации кристаллитов.

и их обсуждение Однако в случае КВТО защищенной пленки GaN разориентация кристаллитов, напротив, увеличивается 3.1. Влияние КВТО на кристаллическое (1/2 растет), что по-видимому, связано с дополникачество и морфологию поверхности тельными механическими напряжениями, превносимыми пленок GaN слоем SiO2.

Результаты рентгеновских исследований пленок GaN, Исследования ФЛ незащищенных пленок GaN до и подвергнутых КВТО в различных условиях, представлепосле КВТО в атмосфере как N2, так и Ar показали, ны в таблице.

что вид спектров ФЛ при комнатной температуре (см.

Из таблицы видно, что КВТО независимо от условий рис. 1), а также соотношение интенсивностей (IPL) отжига приводит к уменьшению 21/2, что говорит краевой и примесной (”желтой”) полосы практически не об улучшении кристаллического качества слоев GaN, изменяются (в исследуемых пленках GaN оно составлят. е. разброс постоянной решетки в эпитаксиальном слое ло величину 100 : 1), но наблюдается существенное уменьшается. Одновременно сужение спектров рентге- (более чем в 5 раз) увеличение интенсивности ФЛ новского отражения () незащищенных слоев после во всем спектральном диапазоне, что согласуется с Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1178 Н.И. Кацавец, G.M. Laws, I. Harrison, E.C. Larkins, T.M. Benson, T.S. Cheng, C.T. Foxon данными работы [5]. Увеличение интенсивности ФЛ 3.3. Влияние КВТО на низкотемпературную ФЛ сопровождается исчезновением ее интерференционной в примесной области спектра вблизи края модуляции в ”желтой” полосе спектра (см. вставку на фундаментального поглощения рис. 1). Измерения шероховатости поверхности пленок КВТО образцов GaN приводит к существенному измеGaN до и после КВТО показали, что КВТО незащинению вида ФЛ в примесной области спектра при низкой щенных образцов приводит к увеличению шероховатости температуре.

поверхности от 1 до 100 нм.

В случае незащищенных пленок GaN КВТО в N2 дает КВТО образцов, защищенных слоем SiO2, не приводит резкое увеличение (более чем в 3 раза) максимума в к увеличению интенсивности ФЛ и исчезновению интеробласти 3.41 эВ и появлению дополнительного максимуференционной модуляции спектра в ”желтой” полосе.

ма в области 3.29 эВ (см. рис. 2, кривая b). Этот эффект Таким образом, можно предположить, что повышение не наблюдается после КВТО пленок GaN с защитным интенсивности ФЛ незащищенных пленок GaN после слоем SiO2 (см. рис. 2, кривая c). В последнем случае КВТО связано с ростом внешнего квантового выхода ФЛ максимум в области 3.41 эВ практически исчезает, и из образцов, обусловленным увеличением шероховатодополнительный максимум не проявляется.

сти поверхности.

КВТО незащищенных образцов в атмосфере Ar также не приводит к увеличению максимума в области 3.41 эВ 3.2. Влияние КВТО на низкотемпературные и появлению дополнительного максимума в области спектры ФЛ, связанные с рекомбинацией 3.29 эВ (см. рис. 2, кривая d).

экситонов Для выяснения природы полос ФЛ с максимумами = 3.41 и 3.29 эВ нами были проведены дополниПри низкой температуре (T = 10 K) вид спектров ФЛ тельные исследования зависимостей этих полос от темвблизи края фундаментального поглощения после КВТО пературы (см. рис. 3) и интенсивности фотовозбуждения существенно изменяется. Узкая линия ФЛ с энергией (см. рис. 4). Резкая температурная зависимость (полосы = 3.473 эВ и полушириной 14 мэВ (рис. 2), которую практически исчезают при температуре 150 K), сублиобычно связывают с рекомбинацией экситонов, локалинейный характер изменения интенсивности ФЛ и сдвиг зованных на нейтральном доноре, (D0X-переходы [9]), в положения максимумов в высокоэнергетичную область случае КВТО незащищенных пленок GaN в атмосфере спектра при увеличении интенсивности фотовозбуждекак N2, так и Ar, существенно уширяется (до 20 мэВ) ния говорят о примесной природе этих уровней.

и сдвигается в низкотемпературную область спектра на 2 4мэВ (см. вставку на рис. 2). В случае КВТО защищенных образцов, экситонная полоса слегка сужается (до 12 мэВ) и сдвигается в высокоэнергетичную область спектра на 3 4мэВ.

Из анализа ФЛ и рентгеновских данных можно предположить, что сдвиг экситонной полосы в низкоэнергетичную область спектра после КВТО незащищенных образцов обусловлен уменьшением механических напряжений в пленке GaN, связанных с разориентацией кристаллитов. И наоборот, сдвиг экситонной полосы в высокоэнергетичную область спектра при КВТО пленок GaN с защитным слоем SiO2 связан с ростом механических напряжений, обусловленных увеличением разориентации кристаллитов.

Изменение ширины D0X-экситонной полосы ФЛ после КВТО может быть связано с изменением кристаллического качества решетки слоев GaN после КВТО [10].

Однако, ширина D0X-полосы ФЛ после КВТО в различных внешних условиях не коррелирует с рентгеновскими данными по ”кривым качания” (2). Объяснением этому может служить тот факт, что рентгеновские измерения несут информацию о кристаллическом качестве всего слоя GaN (глубина проникновения рентгеновских лучей в GaN порядка 1 мкм), в то время как измерения ФЛ — только о приповерхностном слое (глубина проникновения фотовозбуждающего излучения и диффузиРис. 3. Температурная зависимость вида спектров ФЛ плеонная длина неравновесных носителей заряда в GaN не нок GaN после КВТО в атмосфере N2. T, K: 1 — 10, 2 — 50, превышает 0.25 мкм [11]). 3 — 100, 4 — 150.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Исследование тонких пленок GaN, подвергнутых кратковременному высокотемпературному отжигу Рис. 4. Зависимости интенсивности (IPL)(a) и положения ( m)(b) линий ФЛ от интенсивности фотовозбуждения (P).

Ранее в низкотемпературных спектрах GaN наблюдал- должно коррелировать с поведением самой D0X-полосы, ся максимум в области 3.42 эВ, который обычно связы- что не подтверждается нашими экспериментами.

вали с рекомбинацией свободных дырок с электронами, По-видимому, максимум в области 3.29 эВ связан с рекомбинацией неравновесных электронов с дырками, локализованными на донорных уровнях, обусловленных локализованными на акцепторных уровнях, которую наприсутствием кислорода [12,13]. Таким образом, можно предположить, что резкое возрастание линии ФЛ в обла- блюдали авторы работы [15]. Таким образом, появление максимума в области 3.29 эВ после КВТО незащищенных сти 3.41 эВ после КВТО в атмосфере N2 обусловлено пленок GaN в атмосфере N2 может быть обусловлено присутствием паров воды как источника кислорода. Тогда увеличением концентрации акцепторных уровней. Это неизменность интенсивности этой линии после КВТО предположение согласуется с результатами работы [5], в атмосфере Ar может быть связана с более глубокой где авторы наблюдали уменьшение концентрации своочисткой Ar. Однако вышесказанное предположение бодных электронов при КВТО в атмосфере N2.

не может объяснить исчезновение линии ФЛ в области 3.41 эВ после КВТО пленок GaN, защищенных слоем SiO2. Таким образом, по нашему мнению, природа 4. Заключение этой линии окончательно не ясна и требует дальнейших исследований.

Таким образом, из результатов наших исследований Низкотемпературную линию ФЛ в области 3.287 эВ можно сделать следующие выводы.

обычно связывают с фононной репликой экситонной 1. КВТО пленок GaN как в азотной, так и аргоновой D0X-полосы 2-го порядка (LOx2-переход) [14]. Однако атмосфере приводит к улучшению их кристаллического в этом случае поведение линии ФЛ при изменении качества (разброс постоянной решетки в слое уменьшатемпературы образца и интенсивности фотовозбуждения ется).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1180 Н.И. Кацавец, G.M. Laws, I. Harrison, E.C. Larkins, T.M. Benson, T.S. Cheng, C.T. Foxon 2. КВТО незащищенных образцов GaN приводит к [8] F.A. Ponce. MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research, 2, 51 (1997).

уменьшению разориентации кристаллитов, из которых [9] J. Mennger, U. Jahn, O. Brandt, H. Yang, K. Ploog. Phys. Rev.

состоит пленка GaN. В случае КВТО пленок GaN, защиB, 53, 1881 (1996).

щенных слоем SiO2, напротив, разориентация кристал[10] E.I. Rashba, M.D. Sturge. Excitons (Amsterdam, Northлитов увеличивается, что обусловлено, по-видимому, Holland Publishing Company, 1981) p. 865.

появлением дополнительных механических напряжений.

[11] S.J. Rosher, E.G. Carr, M.J. Ludwise, G. Girolami, M.I. Eric3. КВТО незащищенных пленок GaN приводит к резson. Appl. Phys. Lett., 70, 420 (1997).

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.