WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 11 Исследование электронного спектра структур с квантовыми точками InGaN с помощью спектроскопии фототока © Д.С. Сизов¶, В.С. Сизов, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников, Е.Е. Заварин, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 14 февраля 2005 г. Принята к печати 1 марта 2005 г.) С помощью спектроскопии фототока исследованы структуры с квантовыми точками InGaN/GaN. Динамический диапазон измерений составлял четыре порядка с сохранением отношения величины сигнала к уровню шума больше 10. В пределах погрешности измерений форма спектра не зависела от приложенного обратного внешнего смещения, в то время как спектр смещался в коротковолновую сторону, что объясняется влиянием эффекта Франца-Келдыша. Изменение температуры приводило к изменению формы спектра, причем этот эффект различен для структур, выращенных в различных режимах. Такое поведение может объясняться влиянием однородного уширения электронных состояний, статистикой носителей на уровнях квантовых точек, а также влиянием температуры на положение этих уровней.

1. Введение формированию избыточной заселенности вблизи активной области. В данной работе методом ФТ исследовались светодиодные структуры с квантовыми точками Для полупроводниковых светоизлучающих структур InGaN/GaN. Система полупроводниковых соединений с p-n-переходами, содержащих в активной области нитридов III группы характеризуется большой шириной квантово-размерные внедрения, такие как квантовые запрещенной зоны. Благодаря этому разрывы зон на ямы или квантовые точки (КТ), при измерении фотогетерограницах также могут быть велики. В то же время тока (ФТ) с энергией фотона меньше ширины запресравнительно мало известно о кинетике релаксации и щенной зоны матрицы вклад в фототок дает только термической активации носителей, а также о статистике межзонное поглощение, происходящее в активной обносителей в данной системе.

ласти. Это позволяет исследовать электронный спектр непосредственно активной области [1]. Иные методики измерения спектров поглощения, как правило, не 2. Эксперимент позволяют точно отделить вклад пассивных областей, что снижает чувствительность эксперимента. Особенно Структуры, исследованные в данной работе, были выкритичны данные требования при исследовании струк- ращены на установке AIX2000HT и содержали 5 слоев тур, в которых излучение происходит из глубоко ло- КТ InGaN средней толщиной 3 нм, разделенных барьерами GaN толщиной 7 нм. Более подробно устройство кализованных состояний, концентрация которых мала структуры описано в работе [4], однако в отличие от относительно состояний матрицы. Такой случай реалиструктур исследованных в [4], в одной из структур для зуется, например, в структурах с КТ. В то же время усиления фазового распада, инициирующего образовалюбое поглощение зависит от заселенности уровней, ние КТ [5], применялся специальный технологический на которых осуществляется переход: в случае, если прием — прерывание роста. Это должно приводить к заселенность соответствующих уровней сравнима с 1, формированию КТ с большой глубиной локализации поглощение уменьшается, вплоть до смены знака — носителей. Фототок возбуждался при помощи газоразпоявления усиления в среде [2]. Кроме того, при измерядной ксеноновой лампы и измерялся посредством рении ФТ необходимо учитывать то, какая часть элексинхронного детектора SR810 DSP. Для измерения спектронов и дырок, рожденных в процессе возбуждения ФТ, тров ФТ при температуре выше комнатной (до 600 K) разделяется p-n-переходом, а какая рекомбинирует. Для использовался резистивный нагреватель. В данном диаструктур с КТ при некоторых условиях возможно запазоне температур ток со структур снимался посредмедление экстракции носителей с локализованных уровством оловянного контакта. Для увеличения величины ней КТ и дальнейшее их переизлучение [1]. Времена сигнала по отношению к уровню шума сигнал усреднялвыброса носителей из КТ экспоненциально возрастают ся в течение достаточно продолжительного промежутка с увеличением глубины локализации носителей заряда времени, при этом устойчивость мощности лампы дои уменьшением температуры [3]. В том случае, если полнительно контролировалась.

времена выброса носителей становятся сравнимыми с временами излучательной рекомбинации, возможно 3. Результаты и обсуждение переизлучение рожденных электронно-дырочных пар.

Кроме того, возможно также замедление экстракции уже Известно, что электронный спектр структур с КТ делокализованных носителей, что может приводить к InGaN может быть описан при помощи функции оши¶ E-mail: Dsizov@pop.ioffe.rssi.ru бок [5] и хвост состояний может быть аппроксимирован Исследование электронного спектра структур с квантовыми точками InGaN... функцией Гаусса. Параметр дисперсии в данной функции может быть определен посредством исследования положения максимума излучения в зависимости от температуры. Данный подход подразумевает квазиравновесное распределение носителей во всем температурном диапазоне. В то же время длинноволновый хвост спектра фототока также может быть аппроксимирован функцией ошибок, но параметр дисперсии при этом может не совпадать с тем, что можно получить из температурных зависимостей положения максимума. В работе [5] данный параметр, полученный из ФТ, был существенно больше, чем ожидалось из исследования излучения, и это объяснялось сильным однородным уширением электронного спектра. Такое уширение соответствует временам релаксации порядка 10 фс, однако экспериментальные данные, полученные при исследованиях с временным разрешением, свидетельствуют о значительно больших временах релаксации в КТ [6]. Возможно, это связано с тем, что в этих работах исследовались структуры с существенно различающейся скоростью релаксации носителей.

С целью выяснения соответствия между спектрами ФТ и электронным спектром измерялся ФТ структур, содержащих КТ. Измерения проводились при температурах, изменявшихся в диапазоне от 300 до 600 K, Рис. 2. Спектры фототока, измеренные при температуре с приложением обратного внешнего смещения и без от 300 до 600 K для структур, выращенных: a — без смещения. Ранее нами исследовались спектры ФТ струкпрерывания роста, стимулирующего фазовый распад InGaN, туры с малой глубиной локализации носителей заряи b — с прерываниями роста.

да, и повышение температуры не приводило к заметному изменению формы спектра ФТ [4]. Повышение чувствительности эксперимента и исследование КТ с в коротковолновую область, в то время как форма большой глубиной локализации позволили наблюдать и спектра остается неизменной. Так как фототок зависит анализировать изменения формы спектров ФТ в области от поглощения света и эффективности экстракции фотодлинноволновых хвостов.

индуцированных носителей, это означает, что внешнее На рис. 1 показаны спектры ФТ структуры с КТ с смещение несущественно влияет на оба эти процесса.

большой глубиной локализации носителей. Как видно Коротковолновый сдвиг спектра ФТ при приложении из рисунка, приложение обратного смещения не изменяет формы спектра в пределах погрешности измере- обратного смещения можно объяснить влиянием эффекта Франца-Келдыша [7]. В то же время увеличение ний, при этом наблюдается небольшой сдвиг спектра температуры приводит к существенному „вытягиванию“ длинноволнового хвоста спектра (рис. 2). При аппроксимации спектра ФТ функцией Гаусса это соответствует увеличению параметра дисперсии. Данный феномен можно объяснить с различных позиций:

— повышение температуры приводит к увеличению однородного уширения уровней благодаря увеличению скорости взаимодействия носителей с фононами [5].

В этом случае времена выбросов много меньше времен рекомбинации, частота которой обычно составляет величину порядка 109 с-1 [6];

— при сравнительно больших временах выброса носителей в квантовые точки с большой глубиной локализации, из-за замедления выброса носителей сравнительно велика вероятность их рекомбинации, что приводит к понижению эффективности ФТ в структурах с глубокиРис. 1. Спектры фототока для структуры с квантовыми точми КТ. При увеличении температуры роль глубоких КТ ками при обратном смещении V = 0 —кривая 1, V = -3В — кривая 2. возрастает из-за увеличения вероятности выброса [1];

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1352 Д.С. Сизов, В.С. Сизов, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников, Е.Е. Заварин, Н.Н. Леденцов — повышение температуры приводит к изменению уровней. В результате квазиравновесное распределение электронного спектра структуры, что связано с различ- носителей имеет место даже при низких температурах.

ными зависимостями изменения электронно-оптических В структурах же, выращенных при других параметрах, параметров GaN и InGaN различного состава. однородное уширение может быть пренебрежимо мало, В любом из перечисленных случаев отсутствие изме- а квазиравновесная статистика носителей устанавливаетнения формы спектра при приложении смещения сви- ся при достаточно высоких температурах. Поэтому для детельствует о достаточно быстрой экстракции уже де- выяснения того, какой именно механизм поглощения и локализованных носителей из активной области. Иными экстракции носителей присутствует в структурах с КТ словами, это означает, что поля p-n-перехода оказыва- InGaN, требуются дополнительные экспериментальные ется достаточно, чтобы быстро разделять делокализован- данные.

ные носители до того, как произойдет их рекомбинация в активной области.

Заключение Рассмотрим более подробно „вытягивание“ хвоста спектра ФТ для структур, выращенных при различных Нами изучены спектры фототока структур с кванторостовых режимах. На рис. 2, a и b показаны спектры выми точками InGaN, полученные при высокой чувствиФТ для структур, выращенных без прерывания роста, тельности измерений. Приложение внешнего смещения стимулирующего фазовый распад, и с таким прерыване изменяет форму спектра в пределах чувствительнонием соответственно. Как видно, у второй структуры сти. Это означает, что экстракция фотоиндуцированных „вытягивание“ хвоста спектра с увеличением темпераносителей не зависит от поля p-n-перехода, а зависит от туры более сильное. В соответствии с рассмотренной других параметров, к которым можно отнести скорости интерпретацией данное различие может быть вызвано:

термических выбросов носителей из квантовых точек – более сильным относительным увеличением скорои скорость туннельных процессов (если таковые сущестей выброса и захвата носителей в структуре второственны). В то же время форма спектра существенно го типа (рис. 2, b). В случае, если скорость выброса изменяется с изменением температуры: наблюдается составляет величину порядка 10 фс, это приводит к „вытягивание“ хвостов спектров с увеличением темпеболее сильному увеличению однородного уширения с ратуры, причем у структуры с более сильным фазовым температурой. В этом случае статистика носителей в распадом в активной области этот эффект сильнее.

активной области равновесна;

— в случае, если времена выброса много боль- Авторы выражают благодарность М.А. Яговкиной и ше 10 фс, „вытягивание“ хвоста спектра может означать, В.И. Ильиной за их вклад в экспериментальную часть что во второй структуре выброс сильно замедлен, что, работы.

как было рассмотрено выше, приводит к уменьшению Работа была поддержана грантами, финансируемывклада в ФТ более глубоких КТ. Этот случай соми РФФИ.

ответствует уже неравновесной статистике носителей.

В первой структуре (рис. 2, a) скорость выброса может быть изначально высока, и ее относительное изменение Список литературы более слабо сказывается на спектрах ФТ;

— в первой структуре увеличение температуры мо- [1] P.W. Fry, I.E. Itskevich, S.R. Parnell, J.J. Finley, L.R. Wilson, K.L. Schumacher, D.J. Mowbray, M.S. Skolnick, M. Al-Khafaji, жет в меньшей степени изменять спектр состояний, A.G. Cullis, M. Hopkinson, J. Clark, G. Hill. Phys. Rev. B, 62, нежели во второй. Изменение спектра состояний может 16 784 (2000).

быть вызвано, к примеру, различной чувствительностью [2] M. Kubal, E.S. Jeon, Y.-K. Song, A.V. Nurmikko, P. Kozodoy, встроенных полей к температуре для разных уровней A. Abare, S. Keller, L.A. Coldren, U.K. Mishra, S.P. DenBaars.

размерного квантования [7]. Кроме того, это может Appl. Phys. Lett., 70 (19), 2580 (1997).

быть вызвано различной скоростью уменьшения ширины [3] L.V. Asryan, R.A. Suris. Semicond. Sci. Technol., 11, запрещенной зоны с увеличением температуры для (1996).

матрицы GaNи слоя квантовых точек InGaN.

[4] Д.С. Сизов, В.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.В. Фомин, Для рассмотренных структур, по данным рентгеновА.Ф. Цацульников., Н.Н. Леденцов. ФТП, 39 (4), 492 (2005).

ской дифрактометрии, среднее содержание In в слоях [5] P.G. Eliseev. J. Appl. Phys., 93, 5404 (2003).

InGaN у второй структуры оказалось меньше, чем у [6] I.L. Krestnikov, N.N. Ledentsov, A. Hoffmann, D. Bimberg, первой: 10 и 13% соответственно, несмотря на то что по- A.V. Sakharov, W.V. Lundin, A.F. Tsatsul’nikov, A.S. Usikov, Zh.I. Alferov, Yu.G. Musikhin, D. Gerthsen. Phys. Rev. B, 66, ложения максимумов излучения у данных структур при 155 310 (2002).

комнатной температуре были почти одинаковы: 2.8 эВ.

[7] S.F. Chichibu, T. Azuhata, T. Sota, T. Mukai, S. Nakamura.

Такое структурное различие может объяснить причину J. Appl. Phys., 88, 5153 (2000).




© 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.