WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 7 Параметры вюрцитных кристаллов нитрида галлия, легированных тулием © В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, С.Н. Родин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия E-mail: vlad.krivol@mail.ioffe.ru, margaret.m@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 26 июля 2004 г.

В окончательной редакции 9 ноября 2004 г.) Исследовались кристаллы GaN, полученные методами МОС-гидридного и газофазного эпитаксиального роста в открытой хлоридной системе. Тулий вводился с помощью диффузии. Показано, что в полупроводниковой матрице GaN редкоземельный ион Tm играет роль акцептора при наличии в нелегированных кристаллах дефектов, образующих глубокие уровни. Наблюдались внутрицентровые f - f -переходы, характерные для Tm в коротковолновой и длинноволновой областях спектра. Интенсивность излучения в коротковолновой области спектра больше в кристаллах, полученных методом газофазного эпитаксиального роста в открытой хлоридной системе.

Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“.

1. Ввeдение уровень Ферми при T = 77 K расположен вблизи дна зоны проводимости) РЗИ, по-видимому, встраивается Широкозонные полупроводники на основе нитридов в междоменное пространство мозаичной структуры;

III группы интенсивно используются в качестве мате- в этом случае все изменения параметров кристаллов риала для создания светоизлучающих приборов (лазе- свидетельствуют об измененияx в данных областях.

ров, светодиодов) для коротковолновой области спектра.

Использование легирования РЗИ кристаллов GaN с В настоящее время на основе квантово-размерных струк- целью получения структур для изготовления светодитур InGaN/GaN изготовлены светодиоды для видимой одов можно рассматривать как альтернативную, более области спектра [1,2].

экономичную технологию по сравнению с технологиРанее было показано, что при легировании кристаллов ей получения гетероструктур InGaN/GaN [5]. Тулий GaN редкоземельными металлами (Er, Sm, Eu) наблюда- имеет линии излучения (отвечающие внутрицентровым ются внутрицентровые f - f -переходы, линии излучения - f -переходам), которые расположены в видимой и f которых находятся в видимой — 0.54–0.56 µm (Er, Eu), ближней инфракрасной областях спектра. Tm имеет инфракрасной — 0.81 µm (Sm), далекой инфракрас- одно зарядовое состояние (3+) (как и Er3+), а два ной — 1.54 µm (Er) —областях спектра [3,4]. Показано других иона (Eu, Sm) — переменные значения (2+ также, что редкоземельный ион (РЗИ) в вюрцитных кри- и 3+). Дефекты в исходной полупроводниковой матрице сталлах GaN может быть как донором, так и акцептором, образовывали как мелкие (в случае легирования Er), что определяется суммарной концентрацией дефектов так и глубокие (в случае легирования Sm) уровни в в исходной полупроводниковой матрице. Интенсивность запрещенной зоне GaN. В работе [5] рассматривалось линий излучения, характерных для внутрицентровых влияние зарядового состояния примесных РЗИ — Eu, Er f - f -переходов РЗИ в кристаллах GaN, коррелирует с (как примесей замещения) — на изменение положения концентрацией дефектов в исходной полупроводниковой в решетке (при различных методах введения в исходную матрице: чем меньше концентрация дефектов, тем боль- полупроводниковую матрицу, при различных концентраше интенсивность линий внутрицентровых переходов. циях и типах дефектов) по отношению к нормальному Установлено также, что механизмы диффузии и леги- положению иона Ga.

рования кристаллов РЗИ определяются концентрацией Цель данной работы является исследование влияния дефектов, положением уровня Ферми в полупроводни- легирования Tm на параметры спектров близкраевой ковой матрице GaN. В случае положения уровня Ферми фотолюминесценции (БКФЛ) вюрцитных кристаллов при T = 77 K в запрещенной зоне (при малой концен- GaN, определение природы примесных центров и обтрации дефектов < 1017 cm-3) РЗИ, по всей вероятно- наружение эффекта геттерирования, а также исследости, встраивается в исходную кристаллическую решетку, вание зависимости интенсивности характерных для Tm вызывая изменение типа связей в ней (от ковалентной, внутрицентровых f - f -переходов (477 nm — G4-3H6, 1 характерной для Ga–N, до ионной — Er–N), поскольку 647 nm — G4-3H4, 801 nm — F4-3H6) при наличии РЗИ является примесью замещения [4]. При увеличе- дефектов, образующих глубокие уровни в исходной нии концентрации дефектов в матрице (n > 1018 cm-3, полупроводниковой матрице.

4 1204 В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, С.Н. Родин 2. Эксперимент исследуемых образцов (Nd - Na > 1017 cm-3) должна быть не менее 30 meV.

Как и в работах [3,4], для реализации возможности Оптические измерения проводились на дифракционболее широкого варьирования концентрации дефектов ном спектрометре СДЛ-2 с обратной линейной дисв исходной полупроводниковой матрице использова- персией 1.3 nm/mm в области краевой люминесценции лись кристаллы, полученные двумя различными ме- GaN. В качестве источника излучения, возбуждающего тодами: методом разложения металлорганических сме- ФЛ, использовался импульсный азотный лазер (ЛГИ-21) сей (МОС-гидридная технология эпитаксиального роста, с длиной волны 3371 и длительностью импульса MOCVD — тип I) и хлорид-гидридного эпитаксиального (на полуширине) 10 ns. Для корректного сравнения роста в открытой системе (HVPE — тип II). В отли- спектров излучения разных кристаллов GaN контроличие от работы [4], в которой исследовалось влияние руемые параметры — угол падения луча, интенсивность легирования Er на спектры БКФЛ кристаллов GaN с возбуждающего света, температура — были постояндефектами, образующими мелкие уровни в запрещенной ными.

зоне, в настоящей работе были выбраны кристаллы GaN разных типов, дефекты в которых образовывали 3. Результаты и обсуждение глубокие уровни.

Как и в [3,4], РЗИ вводились с помощью диффузии:

Cпектры ФЛ нелегированных и легированных Tm пленка редкоземельного металла на поверхность крикристаллов GaN (тип I) приведены на рис. 1.

сталла наносилась термически, после чего проводился В нелегированном кристалле GaN наблюдается линия отжиг в атмосфере аммиака в течение 1–1.5 h при излучения (Emax = 3.48 eV при T = 77 K). Эта линия температуре, равной 1000–1050C.

отличается (сдвинута в коротковолновую область спекОсновными источниками информации о концентрации тра на 17 meV) от линии экситона на нейтральном дефектов в исходных кристаллах, так же как и в [3,4], доноре D0x (Emax = 3.463 eV, T = 77 K), которая обычно являются спектры фотолюминесценции (ФЛ) и данные наблюдается в кристаллаx GaN, выращенных методом по полуширине кривой дифракционного отражения (при MOCVD [3,4]. Можно предположить, что эта линия изиспользовании рентгеноструктурного анализа).

лучения соответствует излучению свободного экситона При анализе спектров ФЛ основное влияние уде(FE) (A - E = 3.4789 eV — или B - E = 3.48 eV) [6] ляется интенсивности линии БКФЛ и ее ширине на кристаллов GaN с N-полярностью. Подобное смещение полувысоте (FWHM). Неоднородное уширение данной линии возникает вследствие того, что длины волн излучения, отвечающие излучательной рекомбинации носителей, локализованных на разных мелких центрах, несколько различны. Причиной этого различия является дисперсия энергии термоактивации мелких доноров ELT.

В свою очередь причина дисперсии ELT заключается в различных значениях локального потенциала Vloc в местах расположения мелких примесей. Это означает, что разнообразные дефекты, расположенные близко к мелким примесям, изменяют величину внутрикристаллического поля и тем самым оказывают влияние на длину волны излучения. Поэтому существенное различие FWHM линии БКФЛ в исходных образцах определяется разной концентрацией разнообразных дефектов в этих образцах. Интенсивность излучения линии БКФЛ и FWHM зависят от концентрации излучательных и безызлучательных состояний и транспорта носителей к ним. Параметры транспорта носителей определяются хвостами плотности состояний в запрещенной зоне и положением уровня протекания [3]. Отсюда следует, что при одинаковых условиях эксперимента образцы с разной интенсивностью ФЛ различаются прежде всего концентрацией дефектов. Эти дефекты порождают как глубокие уровни (существенно уменьшающие время жизни свободных носителей), так и флуктуации плотности зонных состояний. Как было показано в работе [4], в Рис. 1. Спектры фотолюминесценции нелегированных (1) и кристаллах GaN n-типа при T = 77 K величина FWHM легированных Tm (2) кристаллов GaN, полученных методом линии БКФЛ зависит от концентрации носителей и для MOCVD (тип I), T = 77 K.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Параметры вюрцитных кристаллов нитрида галлия, легированных тулием типа I с линией (имеющей величину FWHM, равную 29 meV, но малую величину интенсивности) вблизи линии излучения свободного экситона FE обусловлены трансформированием глубоких состояний, присутствующих в исходной полупроводниковой матрице, в мелкие в результате легирования. При этом, так же как и в предыдущих работах, одновременно наблюдается и эффект геттерирования (увеличение интенсивности БКФЛ, появление полосы ДАР). Таким образом, вне зависимости от величин зарядового состояния и ионного радиуса легирующей примеси влияние редкоземельных металлов на изменение вида спектров БКФЛ полупроводниковой матрицы GaN одинаково.

На рис. 2 представлены спектры ФЛ нелегированных и легированных Tm кристаллов GaN типа II.

Обращает на себя внимание тот факт, что в нелегированных кристаллах с n-типом проводимости (с большой концентрацией мелких доноров) основной линией излучения является линия, характерная для излучения экситона, связанного на нейтральном акцепторе — A0x (361 nm, 3.454 eV) и интенсивность полосы излучения, характерной для ДАР (3.25 и 3.17 eV) незначительна (кривая 1 на рис. 2). Приведенная совокупность экспериментальных данных позволяет предположить, что в данном случае имеет место смещение в длинноволновую Рис. 2. Спектры фотолюминесценции нелегированных (1) и область спектра линии экситона, связанного на нейлегированных Tm (2) кристаллов GaN, полученных методом тральном доноре (D0x), вследствие наличия напряжений HVPE (тип II), T = 77 K.

растяжения.

Легирование Tm (кривая 2) кристаллов GaN типа II приводит к изменению вида спектров БКФЛ. Положение данной линии излучения может быть вызвано также и линии излучения (по сравнению с положением линии наличием напряжений в исследуемом кристалле. Велидля нелегированного кристалла) не изменяется, однако чина ширины этой линии излучения на полувысоте равпри этом происходит уширение данной линии и увеличена 29 meV, но интенсивность линии излучения невелика.

ние интенсивности полосы излучения ДАР, появляются Существенные изменения спектра БКФЛ наблюдаютлинии излучения, характерные для внутрицентрового ся после легирования кристалла Tm. Положение линии f - f -перехода Tm, в коротковолновой (477 nm, 2.597 eV) максимума излучения не меняется и по-прежнему не и длинноволновой (790, 808, 820 nm) областях спектра.

соответствует излучению экситона, связанного на нейУвеличение интенсивности полосы излучения ДАР при тральном доноре — D0x (358 nm — 3.48 eV вместо легировании GaN Tm может свидетельствовать о том, 3.463 eV). Кроме того, появляются дополнительные личто легирующий компонент являеся мелким акцептором.

нии излучения: 3.423 eV (362 nm) и полоса, соответству- Это характерно для кристаллов с дефектами, образуюющая донорно-акцепторной рекомбинации (ДАР), — щими глубокие уровни в запрещенной зоне исходной 3.264 и 3.17 eV (380 и 390 nm). Имеются линии из- полупроводниковой матрицы, как в случае легирования лучения, характерные для излучения внутрицентрово- Sm [4].

го f - f -перехода Tm, в видимой области спектра — Кроме того следует отметить большую интенсивность 477 nm (2.597 eV) — и в ближней инфракрасной об- линии излучения, характерной для внутрицентрового ласти — 798.6, 808, 813 и 820 nm. В работах [3,4] - f -перехода Tm в кристаллах GaN типа II, по сравнеf при легировании РЗИ кристаллов GaN, полученных нию с интенсивностью той же линии в кристаллах GaN методом MOCVD (GaN Eu,Sm,Er ), показано, что в типа I. По всей вероятности, концентрация оптически результате легирования не наблюдается изменений в активных центров Tm3+ в кристаллах GaN типа II форме спектров БКФЛ; изменения регистрируются лишь больше, чем в кристаллах типа I, вследствие различия в кристаллах, полученных методом HVPE, легирован- в локальном окружении данных центров [7], что и ных теми же примесями. В данной работе величина приводит к увеличению интенсивности излучения линий, FWHM в кристаллах GaN (тип I) меньше, чем в [3,4], соответствующих внутрицентровым f - f -переходам Tm.

однако в случае легирования Tm (GaN Tm ) имеют Вид времяразрешенных спектров при варьировании место изменения спектров БКФЛ. По всей вероятности, времени задержки для нелегированных кристаллов тиизменения БКФЛ при легировании Tm в кристаллах па II при наличии дефектов, образующих глубокие Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1206 В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, С.Н. Родин уровни, был таким же, как в работе [4], т. е. при наличии дефектов, образующих мелкие уровни в запрещенной зоне полупроводниковой матрицы. Для кристаллов типа I вид времяразрешенных спектров при варьировании времени задержки не отличался от вида времяразрешенных спектров, характерных для кристаллов, имеющих в основном мелкие уровни в запрещенной зоне [8].

4. Заключение Показано, что при наличии в исходной полупроводниковой матрице GaN дефектов, образующих глубокие уровни (вне зависимости от концентрации), редкоземельный ион Tm играет роль акцептора. Наблюдались внутрицентровые f - f -переходы, характерные для Tm в коротковолновой и длинноволновой областях спектра, причем интенсивность излучения в коротковолновой области спектра больше в кристаллах типа II, a интенсивность излучения в длинноволновой области спектра одинакова для кристаллов типов I и II.

Список литературы [1] X.A. Cao, S.F. Leboeuf, L.B. Rowland. Appl. Phys. Lett. 82, 21, 3614 (2003).

[2] S. Martini, A.A. Quivy, M.J. da Silve, E. Abramoff. J. Appl.

Phys. 99, 11, 7050 (2003).

[3] В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, А.В. Насонов, С.Н. Родин. ФТТ 45, 1556 (2003).

[4] В.В. Криволапчук, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, А.В. Насонов, С.Н. Родин, Н.М. Шмидт. ФТТ 46, 5, 814 (2004).

[5] M. Pan, A.J. Steckl. Appl. Phys. Lett. 82, 1, 9 (2003).

[6] V. Kirlyuk, A.R. Zanner, P.C. Christianen, J.R. Wayher, P.R. Hageman, P.K. Lansen. Appl. Phys. Lett. 84, 17, (2004).

[7] А.Н. Георгибиани, А.Н. Грузинцев, М.О. Воробьев, У. Кайзер, В. Рихтер, И.И. Ходес. ФТП 35, 725 (2001).

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.