WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Излучательная рекомбинация нанокристаллов GaN при большой мощности оптического возбуждения © А.Н. Грузинцев¶, А.Н. Редькин, C. Barthou Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия Universit P. et M. Curie, Paris, France (Получена 11 января 2005 г. Принята к печати 26 января 2005 г.) Исследования спектров спонтанной ультрафиолетовой люминесценции нанокристаллов GaN выполнены при различных плотностях мощности оптического возбуждения от 50 Вт/см2 до 50 МВт/см2. При комнатной температуре обнаружены пики свечения свободных экситонов и рекомбинации электронно-дырочной плазмы.

Изучены спектральные характеристики излучения электронно-дырочной плазмы нитрида галлия в широком диапазоне температур от 77 до 550 K.

1. Введение использование лазерных резонаторов микрометрового размера [7]. Именно поэтому для увеличения энергии Современное состояние оптоэлектроники требует по- связи экситона и понижения порога генерации при иска материалов с преобладающим излучением в синем создании полупроводниковых лазеров на основе GaN и ультрафиолетовом спектральных диапазонах [1]. В на- применяют структуры с квантовыми ямами.

стоящее время наиболее перспективными для создания Тем не менее изучение механизмов излучательной светоизлучающих структур в этой области спектра счи- рекомбинации ЭДП в нитриде галлия представляет таются оксид цинка и нитрид галлия (а также твердые большой интерес для создания полупроводниковых ларастворы на его основе). Особенно важно получение зеров большой мощности, поскольку при существенданных полупроводниковых материалов и структур на ном превышении пороговых режимов оптической или их основе с монохроматическим свечением в экситонной электрической накачки экситонный механизм лазерили краевой области спектра. Для этого необходимо ной генерации уступает место механизму рекомбинаполучение тонких пленок или кристаллов широкозонных ции электронно-дырочной плазмы. Цель данной работы полупроводников ZnO и GaN высокого кристаллическо- заключалась в исследовании влияния температуры и го качества, поскольку собственные дефекты кристалли- плотности оптического возбуждения на спектральные ческой решетки и неконтролируемые примесные доноры характеристики и интенсивность свечения ЭДП в моноили акцепторы могут вызвать длинноволновый сдвиг кристаллах GaN.

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

Нитрид галлия и оксид цинка — прямозонные матеМонокристаллы нитрида галлия были синтезированы риалы, гексагональная модификация которых имеет при модифицированным хлоридно-гидридным методом химикомнатной температуре ширину запрещенной зоны 3.ческих транспортных реакций (CVD) [8]. В отличие от и 3.37 эВ соответственно. Ультрафиолетовое свечение традиционной методики, в данном случае в качестве исможет быть обусловлено рекомбинацией свободных экходных компонентов использовали металлический галситонов гексагональной фазы. Согласно литературным лий (99.999%) и хлорид аммония (ОСЧ). Высокочистый данным [4,5], в ZnO энергия связи электрона и дырки в азот (марки ПНГ) служит газом — носителем. Процесс экситоне составляет 60 мэВ, а в GaN — 25 мэВ. Поэтому проводили в двухзонном горизонтальном кварцевом реэкситоны в оксиде цинка термически стабильны при акторе. В первой зоне осуществлялось взаимодействие комнатной температуре и возможно получение лазерногаллия, нагретого до температуры 400C, с хлоридом го эффекта при рекомбинации экситонов. Экситонный аммония. Образующиеся при этом пары моноаммиамеханизм лазерной генерации довольно эффективен, что ката трихлорида галлия потоком азота переносились позволяет получать низкие пороговые мощности оптичево вторую зону, где разлагались с образованием нитской накачки от 24 кВт/см2 и выше [6]. В нитриде галлия рида галлия. Температура пиролиза составляла 950C.

при комнатной температуре экситоны термически нестаВ качестве подложки использовали сапфир (0001). Побильны, и вынужденное излучение в краевой области лученные пленки нитрида галлия, согласно данным получается, как правило, при рекомбинации электронноэлектронной микроскопии [8], представляли собой слой дырочной плазмы (ЭДП), что обусловливает резкий мелких (все размером менее 1 мкм) монокристаллов со рост пороговой мощности накачки до 1.2 МВт/см2 и средними размерами отдельных кристаллитов 0.4мкм ¶ и хорошо выраженной кристаллической огранкой. Они E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru Fax: (095)9628047 обладали электронным типом проводимости с довольно Излучательная рекомбинация нанокристаллов GaN при большой мощности оптического возбуждения низким удельным сопротивлением, 10 Ом · см. Правильная гексагональная форма нанокристаллов говорила о преобладании гексагональной модификации GaN, что было подтверждено методом рентгеновской дифрактометрии.

Спектры люминесценции регистрировались при возбуждении излучением азотного лазера с длиной волны 337.1 нм (Photonics LN 1000, длительность импульса 0.6 нс, энергия в импульсе 1.4 мДж) или перестраиваемым по длине волны излучением ксеновой лампы, прошедшим через монохроматор. В обоих случаях возбуждение носило межзонный характер, но если ксеноновая лампа давала малую плотность мощности на образце — 50 Вт/см2, то использование азотного лазера с набором Рис. 2. Спектры фотолюминесценции нанокристаллов GaN поглотителей позволяло получать плотность мощности при интенсивностях возбуждения излучением азотного лазеот 50 кВт/см2 до 50 МВт/см2. Излучение образца сора 50 (1), 122 кВт/см2 (2), 5.87 (3), 15.5 (4), 23.4 (5) и биралось перпендикулярно к поверхности оптическим 50 МВт/см2 (6). T = 300 K.

волноводом, расположенным на расстоянии 10 мм, и анализировалась с помощью спектрометра (Jobin-Yvon Spectrometer HR460) и многоканального детектора (PM Hamamatsu R5600U). Измерения спектров фотолюминесценции (ФЛ) слоев GaN проводились в оптическом криостате при разных температурах от T = 77 до 550 K.

3. Результаты и их обсуждение Два типичных для комнатной температуры спектра фотолюминесценции нанокристаллов GaN на подложке сапфира, зарегистрированные при возбуждении излучением ксеновой лампы (кривая 1) и азотного лазера (кривая 2), приведены на рис. 1. Как видно, характер спектра ФЛ сильно зависит от плотности оптического возбуждения. При малой мощности возбуждения (50 Вт/см2) Рис. 3. Зависимости площади под кривой свечения (1) и линией 300 нм ксеновой лампы хорошо различимы два ширины полосы фотолюминесценции на полувысоте (2) напика люминесценции с максимумами при 1.88 и 2.63 эВ нокристаллов GaN от плотности мощности возбуждающего в примесной области спектра и два пика люминесценции излучения азотного лазера. T = 300 K.

с максимумами при 3.2 и 3.4 эВ в краевой спектральной области (рис. 1, кривая 1). С увеличением мощности оптической накачки до 50 кВт/см2 в спектре ФЛ начинает преобладать одна интенсивная линия с максимумом при 3.2 эВ (кривая 2), обусловленная излучательной рекомбинацией ЭДП. Красное и синее свечения в нитриде галлия связаны с протяженными кристаллическими дефектами и вакансиями азота соответственно [9,10].

Самый коротковолновый пик при 3.4 эВ обусловлен рекомбинацией свободных экситонов гексагональной фазы полупроводникового материала GaN. Эта полоса имеет малую интенсивность при комнатной температуре из-за термического развала экситонов.

В данной работе нас больше интересует краевое фиолетовое сечение с максимумом при 3.2 эВ, превалирующее в свечении GaN при больших уровнях накачки импульсами азотного лазера. С целью получения лазерной генерации в краевой области нанокристаллов нитрида галлия будем увеличивать пиковую мощность лазерного возбуждения. На рис. 2 показаны кривые свечения обРис. 1. Спектры фотолюминесценции нанокристаллов GaN разцов при различных мощностях оптической накачки при возбуждении линией 300 нм ксеноновой лампы (1) и линией 337.1 нм азотного лазера (2). T = 300 K. от 50 кВт/см2 (кривая 1) до 50 МВт/см2 (кривая 6).

4 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1202 А.Н. Грузинцев, А.Н. Редькин, C. Barthou Можно предположить, что краевое свечение нанокристаллов GaN приобретет стимулированный характер при уменьшении температуры. При понижении температуры уменьшается вероятность безызлучательной рекомбинации неравновесных электронов и дырок, а также уменьшается вероятность термического развала свободных или связанных экститонов в материале. На рис. 4 показаны спектры ФЛ нанокристаллов при различных температурах измерения от 77 до 550 K и при максимальной интенсивности возбуждающих импульсов азотного лазера 50 МВт/см2. Можно отметить плавный длинноволновый сдвиг максимума краевого свечения GaN от 3.26 до 3.07 эВ с одновременным падением интенсивности люминесценции при росте температуры. Ширина полосы ФЛ, измеренная на полувысоте, Рис. 4. Спектры фотолюминесценции нанокристаллов GaN при этом существенно возрастает: от 0.1 эВ при 77 K при температуре измерений T = 77 (1), 100 (2), 132 (3), до 0.33 эВ при 550 K (рис. 5). Однако этот рост также 165 (4), 200 (5), 232 (6), 262 (7), 300 (8), 302 (9), 332 (10), носит плавный характер, что свидетельствует об отсут360 (11), 398 (12), 433 (13), 460 (14), 501 (15), 532 (16) и ствии изменений механизма свечения во всем интервале 550 K (17). Плотность мощности возбуждающего излучения температур, т. е. для максимальной мощности лазерного азотного лазера 50 МВт/см2.

возбуждения в нанокристаллах нитрида галлия преобладает спонтанная люминесценция электронно-дырочной плазмы. Дальнейший рост мощности накачки приводил к разрушению (лазерному испарению) исследуемых образцов, причем испарение носило не термический, а взрывной характер в сильном электрическом поле фокуса лазерного излучения.

Таким образом, в нитриде галлия без специального изготовления квантовых ям или лазерных резонаторов не удается получить стимулированного излучения в краевой области спектра. Иногода в качестве резонаторов оптического излучения высокой добротности могут служить естественные грани микрокристаллов GaN [11].

Часть илучения, отражаясь от граней кристаллов, возвращается в образец, обусловливая обратную связь Рис. 5. Зависимости положения максимума кривой свече- лазера. Пороговая мощность оптической накачки в этом ния (1) и ширины полосы фотолюминесценции на полувы- случае составляла несколько МВт на 1 см2. Длина волсоте (2) нанокристаллов GaN от температуры измерения.

ны лазерной генерации соответствовала в этом случае Плотность мощности возбуждающего излучения азотного лаположению максимума линии свечения ЭДП в нитриде зера 50 МВт/см2.

галлия, которое, как мы видели выше (рис. 1), не сильно зависит от интенсивности возбуждения. В общем случае теоретические расчеты плотности возбужденных Видно, что при столь больших плотностях мощности состояний носителей в электронно-дырочной плазме возбуждения в ФЛ нанокристаллов превалирует полоса довольно сложны. Нобходимо учитывать кинетическую ЭДП, максимум которой незначительно сдвигается в энергию электронов и дырок, энергию их обменного длинноволновую сторону от 3.2 до 3.19 эВ с увеличени- взаимодействия и корреляционную энергию [12]. Суем мощности накачки на 3 порядка величины. Характер ществуют несколько разных моделей теоретического зависимости площади по кривой свечения и ширины расчета, дающих различные результаты. Поэтому проще линии люминесценции на полувысоте FWHM (рис. 3) от использовать полученные выше спектральные зависиинтенсивности лазерного возбуждения свидетельствуют мости излучательной рекомбинации ЭДП в нитриде о ее спонтанном характере во всем диапазоне измере- галлия от температуры и уровня накачки для проний. Дело в том, что площадь под кривой ФЛ растет гнозирования параметров мощных полупроводниковых почти линейно (пунктирная прямая на рис. 3), а ширина лазеров на данном материале. Прежде всего видна линии плавно возрастает от 0.106 до 0.176 эВ. В случае хорошая стабильность положения максимума свечения стимулированной люминесценции рост площади был бы от мощности накачки (рис. 1 и 2) в широком диапазне сверхлинейным с явно выраженным пороговым значе- от 50 Вт/см2 до 50 МВт/см2. Температурный сдвиг понием, а ширина линии, напротив, уменьшалась бы для ложения максимума свечения ЭДП в нанокристаллах надпороговых плотностей мощности [7]. GaN (рис. 5) — довольно большой и превышает сдвиг Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Излучательная рекомбинация нанокристаллов GaN при большой мощности оптического возбуждения ширины запрещенной зоны материала. Это связано с [5] J.W. Tomm, B. Ullrich, X.G. Qui, Y. Seguwa, A. Ohtomo, M. Kawasaki, H. Koinuma. J. Appl. Phys., 87, 1844 (2000).

сильным температурным уширением линии ФЛ из-за [6] P. Zu, Z.K. Tang, G.K.L. Wong, M. Kawasaki, A. Ohtomo, повышения кинетической энергии электронов и дырок H. Koinuma, Y. Segawa. Sol. St. Commun., 103, 459 (1997).

в плазме. В общем случае большая ширина линии ЭДП [7] X.H. Yang, T.J. Schmidt, W. Shan, J.J. Song. Appl. Phys. Lett., является ее существенным недостатком по сравнению с 66, 1 (1995).

узкими линиями связанных состояний электронов и ды[8] А.Н. Редькин, В.И. Таций, З.И. Маковей, А.Н. Грузинцев, рок (экситонов) в полупроводниках. Однако экситонное Е.Е. Якимов. Неорг. матер., 40, 1197 (2004).

свечение в нитриде галлия имеет слабую интенсивность [9] А.Н. Грузинцев, У. Кайзер, И.И. Ходос, В. Рихтер. Неорг.

(рис. 1, пик 3.4 эВ) при комнатной температуре из-за матер., 37, 1 (2001).

термического распада экситонов.

[10] У. Кайзер, А.Н. Грузинцев, И.И. Ходос, В. Рихтер. Неогр.

Отметим также, что сравнение эффективности краматер., 36, 720 (2000).

евого свечения нитрида галлия и оксида цинка [13] [11] S. Bidnyk, B.D. Little, Y.H. Cho, J. Krasinski, J.J. Song, при одном и том же уровне мощного оптического W. Yang. MRS Internet J. Nitride Smicond., Res. 4S1, G6.возбуждения свидетельствует явно не в пользу первого. (1999).

В оксиде цинка превалирует более эффективное сти- [12] A. Yamamoto, T. Kido, T. Goto, Y. Chen, T. Yao, Sol. St.

Commun., 122, 29 (2002).

мулированное излучение ЭДП на пленках и порошках [13] A.N. Gruzintsev, V.T. Volkov, C. Barthou, P. Benallou, без лазерного резонатора или квантовой ямы. Однако J.M. Frigerio. Thin Sol. Films, 459, 262 (2004).

отсутствие низкоомных слоев оксида цинка дырочного типа проводимости не позволяет ему в настоящее время Редактор Л.В. Шаронова заменить нитрид галлия при создании полупроводниковых ультрафиолетовых источников излучения.

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.