WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 11 Примесные центры редкоземельных ионов (Eu, Sm, Er) в вюрцитных кристаллах GaN ¶ © В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, С.Н. Родин, Ш.А. Юсупова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 16 февраля 2004 г. Принята к печати 16 февраля 2004 г.) Легирование нитрида галлия (GaN) примесями Eu, Sm, Er производилось с помощью метода диффузии.

Поведение редкоземельных примесей (образование донорных или акцепторных уровней в запрещенной зоне GaN) коррелирует с суммарной концентрацией дефектов, определяемых оптическими методами измерений, положением уровня Ферми в исходных и легированных кристаллах. Интенсивность линий излучения, характерных для внутрицентровых f -f -переходов редкоземельных ионов, определяется суммарной концентрацией дефектов в исходной полупроводниковой матрице.

1. Введение зарядовые состояния (2+), (3+), причем какая-то часть ионов данного типа может быть в зарядовом состоянии Широкозонные кристаллы нитрида галлия (GaN), ле- (2+), другая в (3+) и соотношение их концентраций гированные редкоземельными ионами (РЗИ), привлека- определяется концентрацией дефектов в полупроводниют внимание широкого круга исследователей в связи ковой матрице [5]. Ранее в работе [6] на примере Er с возможностью создания светоизлучающих приборов в GaN было показано, что РЗИ являются примесями для различных областей спектра: для коротковолно- замещения и, следовательно, должны быть в данной вой — при легировании тулием (Tm), для видимой полупроводниковой матрице донорами или акцепторами.

и ближней инфракрасной —- при легировании эрбием Однако вплоть до настоящего времени природа примес(Er), для длинноволновой — при легировании европием ных центров РЗИ не была определена. В работе [7] и самарием (Eu, Sm) [1–3]. В p-i-n-структурах на исследовалось влияние методов введения РЗИ в полуоснове GaN с РЗИ наличие широкозонной полупро- проводниковую матрицу GaN на вид спектров близводниковой матрицы позволяет им функционировать краевой фотолюминесценции (БКФЛ) и интенсивность при температурах, равных или выше комнатной, по- линий излучения, характерных для внутрицентровых скольку температурное гашение фотолюминесценции f -f -переходов Er.

(ФЛ) тем меньше, чем больше ширина запрещенной Цель данной работы заключалась в определении призоны полупроводника [4]. Независимость длины вол- роды примесных состояний (доноры или акцепторы) ны излучения на внутрицентровых f -f -переходах РЗИ редкоземельных металлов (Eu, Sm, Er), введенных в от типа полупроводниковой матрицы также является эпитаксиальные слои GaN, и выяснении влияния корренемаловажным фактором, определяющим актуальность ляции между этими состояниями и дефектами исходной подобного рода исследований. Кроме того, технология матрицы GaN на особенности спектров фотолюминесполучения структур (при легировании РЗИ) на заданную ценции в кристаллах GaN, легированных РЗИ.

область спектра, соответствующую длине волны излучения внутрицентрового f -f -перехода РЗИ, значитель2. Эксперимент но проще технологии изготовления многокомпонентных эпитаксиальных структур [5]. Для успешного решения В данной работе РЗИ в кристаллы GaN вводили, как и такого рода задач необходимо определить природу обув работе [8], с помощью метода диффузии. Легирующие словленных введением РЗИ состояний и отвечающих примеси Sm, Eu, Er вводили в каждую группу криим энергетических уровней, поскольку они (наряду с сталлов при одинаковых технологических условиях — в дефектами матрицы) определяют кинетику электронных одном технологическом цикле производили напыление возбуждений системы.

пленок и последующий отжиг в атмосфере аммиака Несмотря на обширные исследования в данной облапри температуре 1000-1050C в течение 1-1.5 ч [8].

сти, вплоть до настоящего времени не было известно, Как и в работе [7], для реализации возможности более являются ли РЗИ в полупроводниковых матрицах доширокого варьирования концентрации дефектов в исходнорами или акцепторами. Известно, что РЗИ в полуной полупроводниковой матрице использовали кристалпроводниковой матрице могут находиться в различных лы, полученные двумя различными методами: хлоридзарядовых состояниях. При введении в полупроводнигидридной газофазной эпитаксией в открытой системе ковую матрицу Eu, Sm, Er чаще всего реализуются (ГФЭ, HVPE) и разложением металлорганических со¶ E-mail: vlad.krivol@pop.ioffe.rssi.ru единений (МОС-гидридная эпитаксия, MOCVD).

Примесные центры редкоземельных ионов (Eu, Sm, Er) в вюрцитных кристаллах GaN Основными источниками информации о концентрации 2) непрерывный аргоновый лазер типа ЛГ-106М4 с дефектов в исходных кристаллах, так же как и в рабо- мощностью излучения 0.5Вт/см2 и селекцией длите [8], являются спектры ФЛ, данные измерений концен- ны волны излучения с помощью поворотной призтрации носителей по методу Ван дер Пау (эффект Холмы, установленной на месте глухого зеркала, что ла), результаты исследования морфологии поверхности позволяло получать генерацию на нескольких длинах с помощью электронного микроскопа, данные рентгеноволн, 1 = 5145, 2 = 4880, 3 = 4765 (возбуждеструктурного анализа (ширина кривой дифракционного ние внутрицентровых переходов редкоземельных ионов);

отражения), положение уровня Ферми (определяемое из 3) ксеноновая и галогеновая лампы с набором свеконцентрации носителей, плотности состояний в зоне тофильтров (возбуждение внутрицентровых переходов проводимости и табличных данных о величине функции редкоземельных ионов).

Ферми) при температурах T = 77, 300 K в исходных (нелегированных) и легированных РЗИ кристаллах GaN.

Для нелегированных кристаллов GaN, полученных 3. Экспериментальные результаты методом HVPE, при T = 300 K уровень Ферми распои их обсуждение ложен выше дна зоны проводимости на 0.085 эВ, при T = 77 K — выше дна зоны проводимости на 0.03 эВ.

Нелегированные кристаллы GaN были разбиты на Для кристаллов GaN, полученных методом MOCVD, несколько групп в зависимости от предварительной при T = 300 K уровень Ферми расположен выше дна оценки типа дефектов в них:

зоны проводимости на 0.0173 эВ, при T = 77 K уро1) кристаллы, имеющие в спектрах только линии, вень Ферми расположен ниже дна зоны проводимости.

соответствующие БКФЛ, но с разной величиной FWHM Концентрация и тип дефектов в исходных и легиро(27-300 мэВ);

ванных кристаллах оценивались с помощью оптиче2) кристаллы с неоднородно уширенной линией ской спектроскопии (спектров ФЛ) — а именно, по БКФЛ и кроме того имеющие полосу излучения интенсивности и положению линий излучения D0, x при 3.26-3.17 эВ — донорно-акцепторную полосу ФЛ и A0, x, обусловленных рекомбинацией на нейтральных (ДАФЛ), интенсивность которой может превышать на донорах и акцепторах, ширине линий на полувысоте порядки интенсивность БКФЛ;

(FWHM), эволюции спектров ФЛ при варьировании 3) кристаллы, имеющие в основном глубокие дефекинтенсивности возбуждения. Используемые в данной ты, являющиеся эффективными центрами безызлучаработе РЗИ имели различное зарядовое состояние: ион тельной рекомбинации, вывод о существовании которых Er имеет одно зарядовое состояние (3+), а ионы Eu, сделан на основании малых величин интенсивности Sm — переменные значения (2+) и (3+) [1,2]. Зарядовое линии БКФЛ и FWHM (7–9 мэВ, т. е. < kT) [8].

состояние примесного иона Eu определялось с помощью мессбауэровской спектроскопии. При анализе спектров ФЛ основное внимание В работе [7], посвященной исследованиям влияния уделялось интенсивности линий внутрицентровых легирования РЗИ на спектры фотолюминесценции кри- f -f -переходов на длинах волн 1.54 и 0.54 мкм (Er), сталлов GaN, показано, что метод введения примеси 0.72 мкм (Sm), 0.35 мкм (Eu2+), 0.54 и 0.66 мкм определяет вид спектра ФЛ. При введении РЗИ в (Eu3+), а также эволюции полосы БКФЛ, имеющей процессе роста наблюдаются линии излучения, харакнеоднородный характер уширения [8], изменению ее терные для БКФЛ и внутрицентровых f -f -переходов ширины. Согласно данным работы [8], концентрация РЗИ. При введении РЗИ методом имплантации БКФЛ носителей в исследуемых кристаллах, полученных не наблюдается, наблюдаются лишь линии излучения, методом HVPE, была > 1018 см-3, поскольку величина характерные для f -f -переходов РЗИ, что может быть FWHM составляла 180–300 мэВ. В кристаллах, свидетельством большого количества дефектов, иницииполученных MOCVD, величина FWHM составляла рованных имплантацией. В данной работе для введения 18–27 мэВ, т. е. концентрация носителей примерно на РЗИ использовался метод диффузии.

порядок меньше.

Для корректного сравнения спектров излучения разС целью выяснения влияния постростовой обработных кристаллов GaN контролируемые параметры — ки — отжига в атмосфере аммиака или легирования угол падения луча, интенсивность возбуждающего света, РЗИ с последующим отжигом в той же атмосфере — температура — были постоянными.

кристалл был разделен на две части. На одной части Оптические измерения проводились на дифракционкристалла был проведен только отжиг в атмосфере ном спектрометре СДЛ-2 с обратной линейной дисаммиака (NH3, температура Ta = 1050C, длительность персией 1.3 нм/мм в области краевой люминесценции ta = 1ч), а на другой — легирование Er (GaN Er ) с GaN. В качестве источников излучения, возбуждающего последующим отжигом в тех же условиях. Спектры ФЛ ФЛ, использовалось несколько типов лазеров. Для возпредставлены на рис. 1. Видно, что отжиг изменил вид буждения фотолюминесценции в стационарном режиме спектра (ср. кривые a и b) — уменьшилась интениспользовались:

1) непрерывный He–Cd-лазер с длиной волны излуче- сивность полосы донорно-акцепторной рекомбинации ния = 3250 и мощностью излучения 5 мВт (межзон- (D-A), но не наблюдалось ни изменения интенсивности, ное возбуждение GaN); ни сдвига положения максимума БКФЛ, ни величины Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1310 В.В. Криволапчук, Ю.В. Кожанова, В.В. Лундин, М.М. Мездрогина, С.Н. Родин, Ш.А. Юсупова FWHM. После легирования Er и отжига (кривая c) наблюдались существенные изменения вида спектра — интенсивность БКФЛ уменьшилась при одновременном уменьшении FWHM, интенсивность ДАФЛ также уменьшилась. Можно предположить, что результатом только отжига является уменьшение концентрации донорноакцепторных пар, а результатом легирования Er — трансформирование мелких дефектов в глубокие [8].

Кристаллы первой группы. Для кристаллов, полученных методом MOCVD, спектры ФЛ с FWHM = 15-27 мэВ до и после легирования Sm приведены на рис. 2. При легировании другими РЗИ спектры имели такой же вид. Видно, что спектр БКФЛ D0, x после легирования практически не изменяется.

Не изменяется в результате легирования концентрация носителей, следовательно, положение уровня Ферми также не изменяется.

В длинноволновой области спектра имеются линии излучения, характерные для внутрицентровых f -f -переходов РЗИ: 0.54 и 1.55 мкм в Er, 0.716 мкм в Sm2+, 0.66 мкм в Eu3+ (см. рис. 3).

Для кристаллов, полученных методом HVPE, спектры приведены на рис. 4 (a — исходный кристалл, b — легированный Er). Видно, что спектры уширены — Рис. 1. Влияние отжига в атмосфере аммиака (NH3) и легивеличина FWHM в различных исходных кристаллах рования Er на вид спектра близкраевой фотолюминесценции менялась от 120 до 300 мэВ. Неоднородное уширение GaN (HVPE): a — исходный кристалл, b — отожженный в возникает вследствие того, что длины волн излучения, аммиаке, c — легированный Er. T = 77 K.

отвечающие излучательной рекомбинации носителей, локализованных на разных мелких центрах, несколько различны. Причины неоднородного уширения спектров подробно рассмотрены в работе [8].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 в свою очередь хвостами плотности состояний в запрещенной зоне и положением уровня протекания [8]. Отсюда следует, что при одинаковых условиях эксперимента образцы, в которых проявляется разная интенсивность ФЛ, различаются прежде всего концентрацией дефектов. Эти дефекты порождают как глубокие уровни (существенно уменьшающие время жизни свободных носителей), так и флуктуации плотности зонных состояний.

В случае легирования Er, имеющим одно зарядовое состояние (3+), энергия максимума линии БКФЛ не отличается от энергии максимума в нелегированном кристалле и соответствует линии излучения экситонов, связанных на нейтральных донорах, D0, x — 3.463 эВ (3579 нм). Изменение концентрации носителей при легировании до 8 · 1018 см-3 незначительно (1019 см-3 в нелегированном кристалле), следовательно, изменение положения уровня Ферми в результате легирования незначительно — при T = 77 K на 0.006 эВ. Можно Рис. 2. Близкраевая фотолюминесценция GaN Sm предположить, что концентрация электрически активных (MOCVD): a — исходный кристалл, b — легированный центров меньше, чем оптически активных, поскольку Sm. T = 77 K.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Примесные центры редкоземельных ионов (Eu, Sm, Er) в вюрцитных кристаллах GaN изменения вида спектра БКФЛ более существенны, чем изменения концентрации носителей, а следовательно, и положения уровня Ферми. Возможной причиной такого поведения введенной примеси является образование Рис. 4. Близкраевая фотолюминесценция GaN Er (HVPE):

a — исходный кристалл, b — легированный Er. T = 77 K.

различных комплексов РЗИ с примесями [5,8], имеющимися в кристалле. В то же время интенсивность линий излучения, характерных для внутрицентровых f -f -переходов РЗИ, в кристаллах GaN, полученных методом HVPE, значительно меньше по сравнению с кристаллами, полученными методом MOCVD. Таким образом, по всей вероятности, механизм возбуждения редкоземельного иона в GaN различен. В кристаллах, имеющих при температуре измерения спектров (T = 77 K) уровень Ферми ниже дна зоны проводимости, возбуждение внутрицентровых переходов обусловлено захватом носителя на РЗИ. В случае расположения уровня Ферми выше дна зоны проводимости возбуждение обусловлено захватом на комплекс РЗИ–примесь.

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.