WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Дефектная люминесценция пленок GaN : Zn, отожженных в высокочастотной плазме аммиака ¶ © Г.А. Сукач, В.В. Кидалов, А.И. Власенко, Е.П. Потапенко Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина Бердянский государственный педагогический институт, 71118 Бердянск, Украина (Получена 15 декабря 2002 г. Принята к печати 4 февраля 2003 г.) Проведены исследования влияния отжига в радикалах азота, полученных путем обработки аммиака в высокочастотном разряде, на люминесцентные свойства пленок GaN : Zn, выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии на сапфировых подложках (0001). По мере повышения температуры отжига наблюдалось монотонное уменьшение фиолетовой (2.88 эВ) и близкраевой (3.48 эВ) полос фотолюминесценции. В результате отжига в радикалах азота при температурах 500-750C обнаружены новые полосы с энергиями максимумов 3.27 и 3.42 эВ, интенсивность которых увеличивалась с ростом температуры отжига.

Проведен критический анализ механизмов образования и природы всех полос. Установлено, что полосы люминесценции 2.88, 3.42 и 3.27 эВ характерны для пленок GaN, полученных с помощью практически всех технологий, и связаны с простыми дефектами структуры. Экспериментально доказано участие кислорода в формировании полосы 3.42 эВ.

1. Введение (полуизолирующих) пленок n-GaN : Zn (концентрация электронов n0 = 5 · 1014 см-3), выращенных методом Известно, что электрофизические и особенно люми- молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках сапфира несцентные свойства пленок GaN существенно зависят (0001). Обнаружено сначала незначительное увеличение не только от технологических условий роста, но и от по- интенсивности полосы 2.88 эВ вплоть до температур следующих внешних обработок. Изменение параметров отжига Ta = 600C, а затем, по мере повышения Ta, технологии и, в частности, постэпитаксиальных внешних уменьшение интенсивностей полос излучения с энергивоздействий позволяет управлять количеством и каче- ями максимума hm = 2.88 и 3.48 эВ и появление новой ством квазиравновесных дефектов в пленках в широких полосы с hm = 3.27 эВ. Однако кинетическая эффективпределах. ность образованных радикалов азота была недостаточно Так, в работе [1] была реализована возможность высокой из-за низкой мощности источника ВЧ разряда.

получения низкоомных образцов GaN p-типа проводи- Было интересно провести исследование спектральных мости, легированных элементами II группы. Был выбран особенностей дефектной ФЛ и самих процессов дефекпуть сведения к минимуму эффекта самокомпенсации тообразования после отжига в радикалах азота широко акцепторов собственными дефектами донорного типа, используемых в технических применениях низкоомных образованными как реакция материала на введение ак- образцов p-GaN : Zn, концентрация основных носителей заряда в которых близка к их концентрации в матецепторов в процессе легирования. Задача решалась за риалах, применяемых при изготовлении коммерческих счет постэпитаксиальных прогревов полуизолирующих излучателей. Кроме того, с целью установления общих образцов GaN : Mg(Zn) в атмосфере азота (температура Ta 700C). В свою очередь исследование фотолюми- закономерностей привлекательным является исследонесценции (ФЛ) позволяет установить природу и меха- вание дефектообразования в пленках GaN, полученных наиболее распространенным в технологии методом низмы образования таких несовершенств. В работе [2] МОС-гидридной эпитаксии (газофазной эпитаксии из мерассмотрен кратковременный высокотемпературный отталлорганических соединений), а также использование жиг GaN в атмосфере молекулярного азота, однако он более эффективного метода получения радикалов азота не привел к улучшению структурных и оптических хане из молекулярного азота, а из аммиака с применением рактеристик пленки из-за разрушения поверхности и исболее мощного источника ВЧ разряда. Этим вопросам парения азота из нитрида галлия. Для повышения эффеки посвящена настоящая работа.

тивности внедрения азота в GaN требуется увеличение давления не молекулярного, а более активного в адсорбционном и диффузионном отношении атомарного азота, 2. Методика и результаты а также снижение температуры отжига. В работе [3] эксперимента проведены исследования влияния отжига в атомарном азоте, полученного путем разложения молекулярного В данной работе исследовались пленки p-GaN : Zn азота на отдельные возбужденные атомы (радикалы) с концентрацией основных носителей заряда p0 = в высокочастотной (ВЧ) плазме, на ФЛ высокоомных = 5 · 1017 см-3. Использовались пленки, выращенные ¶ E-mail: sukach@isp.kiev.ua методом МОС-гидридной эпитаксии на сапфировых Дефектная люминесценция пленок GaN : Zn, отожженных в высокочастотной плазме аммиака Рис. 1. Спектры фотолюминесценции пленок GaN : Zn до (1) и после обработки в активных радикалах азота, полученных из высокочастотной плазмы аммиака при давлении в разрядной камере 10-3 мм рт. ст. и температурах 500 (2) и 750C (3). Приведены энергии максимумов в эВ.

подложках ориентации (0001) (фирма Nichia Chemical где n0, p0, n, p — соответственно концентрации равIndustries Ltd.). Отжиг пленок производился в течение новесных и неравновесных электронов и дырок). Спек1-5 ч при температуре Ta = 500-750C в активных тры ФЛ анализировались с помощью управляемого комрадикалах азота, полученных из аммиака NH3, в про- пьютером спектрального комплекса на основе монохроточной системе, подобной описанной в [4]. В качестве матора МДР-23 [6]. Суммарная величина систематичеисточника активации использовался разряд ВЧ гене- ской и случайной погрешности измерения длины волны ратора с рабочей частотой 40 МГц, мощность кото- с учетом влияния всей совокупности неинформативных и дестабилизирующих факторов не превышала 0.052 нм.

рого регулировалась в пределах P = 1-2кВт [5]. Для предотвращения повреждения поверхности GaN ион- Измерение спектров ФЛ осуществлялось с помощью оптического криостата при температуре жидкого азота.

ная компонента сепарировалась в сильном постоянном Результаты исследования спектров ФЛ (на шкале магнитном поле. Концентрация атомарных газов (азота, энергий фотонов h) пленок p-GaN : Zn, обработанных кислорода и др.) определялась с помощью метода разов активированной газовой среде, представлены на рис. грева каталитических образцов (платиновой проволоки), и 2 (отжиг в радикалах азота), а также в таблице (отжиг на которых происходит рекомбинация возбужденных в радикалах азота и кислорода). Исходные образцы атомов газов с последующим превращением атомов (кривые 1 на рис. 1 и 2) имеют широкую несимв молекулы. Определенная таким образом максимальная концентрация радикалов активных газов вблизи поверхности образца составляла величину 1018 см-3. Вариация концентрации радикалов активных газов в разрядной камере осуществлялась путем изменения мощности ВЧ генератора; например, при давлении p = 10-3 мм рт. ст.

поток радикалов азота, падающих на поверхность образца, регулировался в пределах 1015-1018 см-2 · с-1.

Выход активных радикалов азота в условиях нашего эксперимента на порядок превышал таковой в методе, использующем плазменный разряд в молекулярном азоте.

Для возбуждения ФЛ использовался импульсный азотный лазер ЛГИ-21 с длиной волны излучения = 337.1 нм и длительностью импульса ti 10 нс. ИнРис. 2. Спектры фотолюминесценции пленок GaN : Zn до (1) тенсивность возбуждения L варьировалась с примеи после обработки в активных радикалах азота, полученнением нейтральных серых фильтров в диапазоне ных из плазмы аммиака при давлении в разрядной каме1018-5 · 1021 фотон/см2 · c, что обеспечивало низкие ре 10-3 мм рт. ст., температуре 750C и мощности высокочаи умеренные уровни возбуждения ( n = p < (p0 + n0), стотного разряда 1120 (2) и 1800 Вт (3).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1292 Г.А. Сукач, В.В. Кидалов, А.И. Власенко, Е.П. Потапенко Влияние режимов отжига в радикалах азота и чистого кисс максимумом вблизи hm = 2.88 эВ наблюдали во мнолорода на интенсивность полос фотолюминесценции образцов гих работах [3,7–9]. Общее устоявшееся в литературе GaN : Zn мнение таково: эта полоса связана с рекомбинацией носителей заряда внутри донорно-акцепторной пары Интенсивность полос ФЛ, отн. ед.

(ДАП) [3,7], донором в которой является вакансия Энергия Отжиг в атмосфере аммиака Отжиг в атмосфере азота, а акцептором — примесь замещения. В качестве полосы ФЛ, и остаточного кислорода чистого кислорода акцепторов рассматриваются цинк на месте галлия ZnCa эВ 25C 500C 750C 750C (основной акцептор) и другие собственные дефекты, 2.88 48.8 21.1 9.3 8.6 доминирующие при температурах T > 40 K. С ростом 3.27 0 8.6 46.6 42.температуры выращивания пленок концентрация до3.42 0 0 15.1 73.норов, как правило, возрастает. Многообразие типов 3.48 24.6 6.6 0 акцепторов в таких ДАП и связанные с этим обстоятельством различные расстояния между компонентами ДАП (короткоживущие и долгоживущие ДАП) приводят к неоднородному уширению полосы с образованием метричную полосу в фиолетовом диапазоне спектра затянутого длинноволнового фронта [1,3,9]. В уширение с энергией максимума излучения hm = 2.88 эВ и узкую могут вносить также вклад эти же переходы с испускаблизкраевую полосу излучения с энергией максимума нием оптических и акустических фононов. Отметим, что hm = 3.48 эВ. С ростом температуры отжига в высокосамим положением максимума полосы (hm = 2.88 эВ) эффективных радикалах азота, полученных из аммиака можно легко управлять путем изменения парциального (рис. 1), а также с ростом мощности ВЧ разряда (рис. 2) давления цинка в процессе выращивания (легирования) интенсивности I этих полос монотонно уменьшаются.

пленок. При вариации условий отжига эта полоса ведет Отметим практически синфазное уменьшение интенсивностей этих двух исходных полос ФЛ с ростом Ta себя по-разному. Так, после кратковременного высокотемпературного отжига пленок GaN в атмосфере мопленок, а также с ростом мощности ВЧ разряда. В то лекулярного азота интенсивность ее увеличивалась [2], же время после указанных технологических обработок а после отжига в радикалах азота I сначала возрастала в спектрах появляются новые полосы с энергиями мак(вплоть до Ta = 600C), а затем резко падала [3,7].

симумов hm = 3.27 и 3.42 эВ. Интенсивность полосы Монотонное падение интенсивности полосы с hm = 3.27 эВ резко увеличивается с ростом как Ta, с hm = 2.88 эВ при повышении Ta, а также мощности так и мощности ВЧ разряда (см. рис. 1 и 2); для ВЧ разряда в нашем случае свидетельствуют о том, полосы с hm = 3.42 эВ интенсивность увеличивается что уже при незначительных внешних возмущениях только с ростом Ta (см. рис. 1). После отжига пленок в активных радикалах кислорода I интенсивность поло- (вариация температуры, давления и мощности ВЧ разряда) происходит развал ДАП типа VN-ZnGa. Это сы с hm = 3.42 эВ резко возрастала (таблица).

Для всех исследованных полос ФЛ наблюдалась сте- обусловлено уменьшением концентрации VN за счет замещения их активированными атомами азота из пенная зависимость интенсивности от уровня лазерного окружающей образец азотсодержащей среды.

возбуждения во всем исследованном диапазоне: IL.

Для полос с hm = 2.88, 3.27 и 3.42 эВ показатель Полученные результаты показали, что отжиг в акстепени был близок к единице ( = 1.0-1.05), а для тивированной азотсодержащей среде низкоомных плеблизкраевой полосы ФЛ с hm = 3.48 эВ близок к двум нок p-GaN : Zn (где в качестве источника радикалов ( = 1.8). азота использовался аммиак и мощный ВЧ разряд) оказывает более сильное влияние на состав точечных дефектов, чем тот же отжиг в вакууме, парах азота 3. Обсуждение результатов или в радикалах азота, полученных с использованием менее мощного источника ВЧ разряда. Во всем диапаСпектры ФЛ свидетельствуют об изменении дефектзоне исследованных уровней возбуждения зависимость ного состава пленок GaN в процессе их отжига в ВЧ 0 0 0 I(L) (I NAND ND n, где NA и ND — концентрации разряде сепарированной плазмы, полученной из амминейтральных акцепторов и доноров, а ND — общая ака. Проанализируем полученные результаты для всех концентрация доноров) для полосы с hm = 2.88 эВ полос ФЛ.

имела практически линейный характер ( = 1.05).

3.1. Фиолетовая полоса с hm = 2.88 эВ 3.2. Близкраевая полоса с hm = 3.48 эВ Это — широко известная, характерная для большинства эпитаксиальных технологий полоса ФЛ, обус- В работе [10] пик с hm = 3.48 эВ Eg (Eg — ширина ловленная присутствием в исходном GaN вакансий запрещенной зоны) приписывался межзонной рекомбиазота VN. Наличие этой полосы является признаком нации по двум перекрывающимся каналам: излучательнестехиометричности материала и недостаточного кри- ная рекомбинация связанного на мелком доноре элексталлического качества выращенной пленки. Полосу трона и дырки валентной зоны, а также рекомбинация Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Дефектная люминесценция пленок GaN : Zn, отожженных в высокочастотной плазме аммиака связанных в излучательном комплексе свободного экси- 3.4. Полоса с hm = 3.42 эВ тона электрона и дырки. В нашем случае необходимо Происхождение этого пика, который, по-видимому, учитывать оба канала. Об этом свидетельствует наклон является общей закономерностью пленок GaN, получензависимости I(L) для этой полосы ( 1.8) в обланых при различных технологиях, кроме, как правило, сти L = 1020-5 · 1021 фотон/см2 · с, отличный от чисто молекулярно-лучевой и МОС-гидридной эпитаксий, — квадратичного ( = 2), характерного для излучательной предмет острых дебатов.

рекомбинации свободных электронов и дырок. Отметим, Авторы работы [18] приписывали эту полосу эксичто излучение, обусловленное различного вида связантону, связанному на структурных дефектах вдоль криными экситонами, гасится уже при температуре выше сталлической оси c в гексагональном GaN, но природа 50 K, так что его вкладом в близкраевой поток можно дефектов ими не была рассмотрена. В работах [19,20] пренебречь. Быстрое температурное гашение плосы ФЛ энергетическое положение этой полосы отождествляс максимумом при hm = 3.48 эВ с ростом Ta и мощноли с экситоном, связанным на структурных дефектах, сти ВЧ разряда, по-видимому, обусловлено включением расположенных на границах раздела между кубической более эффективного канала излучательной (см. далее) и вюрцитной фазами, причем электрон считался раси (или) безызлучательной рекомбинации с участием положенным в кубической, а дырки — в вюрцитной ранее упомянутого мелкого донора, а также акцепторов, фазах [20]. В работе [21] пик вблизи hm = 3.42 эВ (при связанных с избыточными межузельными атомами азота, T 100 K) приписывали ДАП, акцептором в которой которые перехватывают рекомбинационный поток близслужили остаточный углерод (Ea 90 мэВ) или ваканкраевого излучения.

сия галлия. Эту полосу можно также связать с остаОбсудим далее поведение новых полос ФЛ, возникших точным кислородом в камере, как в работах [22,23].

после ВЧ отжига.

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.