WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 12 Влияние дополнительно введенных примесей Zn и Eu на вид спектров фотолюминесценции кристаллов GaN, легированных Er © М.М. Мездрогина¶, В.В. Криволапчу궶, В.Н. Петров, С.Н. Родин, А.В. Черенков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 июня 2006 г. Принята к печати 15 июня 2006 г.) Показано, что влияние на спектр люминесценции легирующих примесей определяется типом проводимости исходных кристаллов GaN. Эффект сенсибилизации излучения наблюдается в вюртцитных кристаллах GaN с p-типом проводимости при легировании Er. Такой же эффект наблюдался в таких кристаллах ранее при легировании Eu, Zn. В кристаллах GaN с n-типом проводимости, последовательно легированных Eu, Zn, Er, наблюдается излучение в видимой ( = 360-440, 530-560 нм) и инфракрасной областях ( = 1.54 мкм) спектра.

PACS: 78.55.Cr, 61.72.Vv 1. Введение также неконтролируемы. Поэтому в ряде работ комплексы, содержащие Er на основании зависимости эффекОбширные исследования прямозонного широкозон- тивности их излучения от длины волны возбуждения, ного полупроводника GaN, выращенного на кремние- классифицируют как „красные“ и „фиолетовые“ [3,4].

вой подложке (c-Si), легированного редкоземельными Вместе с тем для достижения максимального эфионами (РЗИ), в частности Eu, привели к обнаружефекта при уменьшении концентрации дефектов в понию лазерного излучения с = 620 нм при комнатной лупроводниковой матрице важно обеспечение не тольтемпературе [1,2]. Актуальность вышеупомянутых работ ко оптимальной величины концентрации легирующего состоит в том, что легирование различными РЗИ крикомпонента, но и обеспечение оптимального локального сталлов GaN, выращенных на c-Si-подложке, даст возокружения РЗИ, что, в частности, определяет поломожность наблюдения лазерного излучения в широком жение и интенсивность линии излучения внутриценспектральном диапазоне (от ультрафиолетовой области тровых f - f -переходов, характерные для РЗИ. Более до инфракрасной) при комнатной температуре.

того, введение РЗИ в исходную матрицу GaN привоНаличие внутрицентрового f - f -перехода Er дит к заметному изменению спектра люминесценции (I13/2-I15/2) с = 1.54 мкм, совпадающего с длиной вблизи края собственного поглощения GaN (БКФЛ), волны, соответствующей минимальным потерям кварца причем характер изменения спектра зависит от типа в системах с волоконно-оптической связью, стимулипроводимости (n- или p-) исходного кристалла GaN [5].

ровало обширные исследования по влиянию концентраТак, в работе [6] на основании исследования изменения ции Er, вводимого в широкозонную полупроводниковую спектров ФЛ объемных кристаллов GaN n-типа, легироматрицу GaN (GaN Er ) [3,4], на интенсивность ванных Eu, обнаружен эффект геттерирования дефектов люминесценции.

в исходной матрице n-GaN в результате возникновеВ настоящее время известно, что интенсивность внуния акцепторных состояний. Впервые обнаружено, что трицентровых переходов РЗИ определяется следующиразличные зарядовые состояния введенного Eu: Eu2+ ми факторами: оптимальной концентрацией оптически и Eu3+ или только Eu3+ — реализуются в зависимости активных центров, заселением излучающих состояний, от концентрации дефектов в исходной матрице. При наиобусловленных транспортом неравновесных носителей меньшей концентрации мелких уровней и наибольшей заряда от полупроводниковой матрицы к РЗИ; интенсивглубоких уровней реализуется одно зарядовое состояние ностью и длиной волны возбуждения. При этом следует примесного иона Eu3+, а при обратном соотношении заметить, что несмотря на активные исследования этой концентрации мелких и глубоких уровней реализуется проблемы в течение последнего десятилетия, добитьдва зарядовых состояния Eu3+ и Eu2+. Поэтому тип акся излучения на этой длине волны ( = 1.54 мкм) с цептора (мелкий или глубокий), вероятно, определяется интенсивностью, достаточной для практических примевеличиной зарядового состояния РЗ иона. В кристаллах нений, пока что не удалось. Одной из причин такого GaN p-типа проводимости (легированных Mg) легироваположения является сложная и мало контролируемая ние многозарядной примесью Eu приводит к заметному структура примесных комплексов, содержащих РЗИ и, увеличению интенсивности излучения в области спектра в частности, Er. Это приводит к тому, что указан = 380-420 нм [5]. При легировании GaN p-типа Eu ные выше факторы (концентрация оптически активных и дополнительно Zn наблюдается эффект сенсибилизацентров, эффективность заселения, сила осциллятора) ции излучения в области спектра = 380-420 нм [5].

¶ Это свидетельствует о том, что оптимальное локальное E-mail: margaret.m@mail.ioffe.ru ¶¶ E-mail: vlad.krivol@mail.ioffe.ru окружение РЗИ достигается введением дополнительных Влияние дополнительно введенных примесей Zn и Eu на вид спектров... примесей (ко-допантов Mg, Eu, Zn), которые способству- 4. Экспериментальные результаты ют образованию комплексов РЗИ с большим сечением и их обсуждение захвата носителей заряда. Вследствие вышесказанного, актуальны исследования по определению локального Как и в работе [6], при анализе спектров ФЛ основное окружения, оптимальной концентрации Er, концентра- внимание уделяется интенсивности линии близкраевой ции дефектов в исходном кристалле, что является фотолюминесценции и ширине линий БКФЛ на полувынеобходимым условием для увеличения интенсивности соте — FWHM. В работе [6] подробно рассмотрены причины неоднородного уширения линии БКФЛ и связанные излучения на требуемой длине волны, порождаемой с этим изменением величины FWHM.

переходами, обусловленными состояниями РЗИ.

Спектры БКФЛ кристаллов GaN с n-типом проводимости, полученных методом HVPE, нелегированных 2. Цель работы и легированных Er, представлены на рис. 1. Кривая 1 — спектр БКФЛ нелегированного кристалла, кривая 2 — легированного Er-кристалла. Спектр БКФЛ Цель данной работы заключается в исследовании нелегированного кристалла (кривая 1) неоднородно влияния дополнительно введенных примесей (Eu, Zn) уширен и имеет одну линию излучения с = 358.1нм на вид спектров фотолюминесценции (ФЛ) кристаллов (E = 3.461 эВ), что соответствует излучению экситона, GaN n- и p-типа, легированных Er. Кроме того, представсвязанного на нейтральном доноре (D0, x) с весьма ляет интерес исследование корреляции интенсивности малой интенсивностью (величина интенсивности излучелюминесценции вблизи края собственного поглощения ния кривой 1 увеличена в 15 раз для сопоставления с ве(БКФЛ) с участием РЗИ и интенсивности внутриценличиной интенсивности излучения после легирования).

тровых f - f -переходов РЗИ в матрице GaN (с разВид спектров БКФЛ подобного рода характерен для личными типами проводимости и разной концентрацией кристаллов GaN, имеющих в запрещенной зоне „глудефектов).

бокие“ уровни, являющиеся центрами безызлучательной рекомбинации [6].

При сравнении спектров легированного и исходного 3. Эксперимент кристаллов видно, что введение Er привело к появБыли использованы кристаллы GaN n-типа проводимости, выращенные методом хлоридгидридного эпитаксиального роста в открытой системе (HVPE) на сапфире, и кристаллы GaN p-типа проводимости (легированные Mg), выращенные методом HVPE на подложке из карбида кремния (SiC) и методом разложения металлорганических смесей (MOCVD) на сапфире.

Все используемые в данной работе примеси вводили в кристаллы GaN с помощью метода диффузии и последующего отжига в атмосфере аммиака при T = 1050C в течение 1-1.5 ч [5,6].

ФЛ возбуждалась азотным импульсным лазером ( = 337.1нм), гелий-кадмиевым непрерывным лазером ( = 325 нм) [5,6]. Импульсный лазер использовали для регистрации время-разрешенных спектров ФЛ при широком варьировании времени задержки t. Аргоновый лазер с длинами волн = 488 и 514.5 нм использовали для детектирования положения примесного уровня Er, внутрицентровых f - f -переходов Er в инфракрасной (ИК) области спектра.

Оптические измерения проводились на дифракционном спектрометре СДЛ-2 с обратной линейной дисперсией 1.3 нм/мм в области краевой люминесценции GaN.

Измерения проводились при температурах T = и 77 K. Для корректного сравнения спектров излучения Рис. 1. Влияние легирования Er и Eu на вид спектров разных кристаллов контролируемые параметры в каждой близкраевой фотолюминесценции кристалла n-GaN (HVPE):

серии экспериментов: угол падения луча, интенсивность 1 — спектр исходного кристалла, 2 — спектр кристалла, возбуждения, температура измерения — были постоян- легированного Er (GaN Er ), 3 — спектр кристалла GaN Er ными. после дополнительного введения Eu (GaN Er + Eu ). T = 77 K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1414 М.М. Мездрогина, В.В. Криволапчук, В.Н. Петров, С.Н. Родин, А.В. Черенков лению интенсивной полосы излучения с = 360 нм, что соответствует длине волны излучения экситона, связанного на нейтральном акцепторе — A0, x. Имеется также полоса с = 380-390 нм, что соответствует донорно-акцепторной рекомбинации (Д-АР) [6].

Интенсивность излучения в коротковолновой области спектра = 360 нм сопоставима с интенсивностью полосы Д-АР, что отличается от данных, полученных ранее в работе [6]. В работе [7] было показано, что при наличии в спектре БКФЛ интенсивной полосы Д-АР интенсивность линии излучения, характерной для внутрицентровых f - f Er ( = 1.54 мкм) очень мала.

В работе [8] было найдено, что в кристаллах GaN Eu введение дополнительной примеси (ко-допанта Zn) приводит к увеличению интенсивности внутрицентровых f - f -переходов вне зависимости от типа проводимости исходных кристаллов.

В данной работе с целью увеличения интенсивности излучения = 1.54 мкм в кристаллах GaN Er использовалось дополнительное введение европия — Eu, т. е.

примеси, которая может образовать комплексы, увеличивающие сечение захвата носителей [3,4]. На рис. (кривая 3) приведен вид спектра БКФЛ n-GaN Er при дополнительном введении Eu. Как видно из рисунка, спектр БКФЛ после введения в GaN Er европия суРис. 2. Спектр БКФЛ кристалла GaN, легированнощественно изменился: появилась интенсивная полоса го Eu, Zn, Er (GaN Eu + Zn + Er ): 1 — спектр исходизлучения с E = 3.16 эВ ( = 392.3нм) и появляется ного кристалла; 2 — спектр кристалла, легированного Eu ряд пиков с незначительной величиной интенсивности (GaN Eu ); 3 — спектр кристалла, легированного Eu и Zn = 406, 410, 430, 450 нм, при этом сохраняется пик с (GaN Eu + Zn ); 4 — спектр кристалла GaN, последовательно положением максимума E = 3.226 эВ. Наличие пика с легированного Eu, Zn, Er (GaN Eu + Zn + Er ). T = 77 K.

= 430 нм на кривой 3, вероятно, связано с наличием зарядового состояния Eu2+ иона Eu [8]. В предыдущей работе [8] было показано, что легирование многозарядFWHM = 120 мэВ). Введение ко-допанта — Zn в криной примесью Eu и мелкой примесью Zn кристаллов сталл (GaN Eu + Zn ) привело к существенному увеGaN p-типа (легированных Mg) приводит к резкому личению интенсивности излучения (рис. 2, кривая 3):

увеличению интенсивности излучения в области спектра к появлению дублета ( = 348 нм, FWHM = 27 мэВ;

= 380-420 нм. В кристаллах GaN n-типа легирование = 356 нм, FWHM = 34 мэВ) в коротковолновой облаевропием приводит к существенно меньшему увеличести спектра, а также линии с = 370 нм (E = 3.386 эВ, нию интенсивности излучения в области БКФЛ.

FWHM = 80 мэВ), интенсивность которой равна инЭволюция спектров люминесценции при последоватенсивности дублета. В спектре имеется также линия тельном легировании кристаллов GaN n-типа европием излучения с = 383 нм (E = 3.261 эВ), совпадающая (GaN Eu ), цинком (GaN Eu + Zn ) и затем эрбием по длине волны с линией излучения в нелегированном (GaN Eu + Zn + Er ) представлена на рис. 2. В спеккристалле и соответствующая Д-АР, но интенсивность тре БКФЛ нелегированного кристалла (рис. 2, криее незначительна. В длинноволновой области спектра вая 1) имеется линия излучения в коротковолновой были обнаружены пики = 460, 480, 530 нм с малой области спектра — = 347 нм (E = 3.54 эВ) с малой величиной интенсивности излучения, характерные для величиной ширины на полувысоте (FWHM = 47 мэВ), внутрицентровых f - f -переходов Eu3+, соответствуюа также линия излучения с малой величиной интен5 5 щие переходам D2-7F0, D2-7F1, D1-7F0 центра C2v сивности, соответствующая излучению экситона, свяс компенсацией кислородом — O2- [9]. По-видимому, занного на нейтральном доноре (D0, x), E = 3.46 эВ.

наличие кислорода в ближайшем окружении иона Eu3+ Кроме того, наблюдается интенсивная полоса излучеможет быть связано с присутствием его в легирующем ния = 370-380 нм, что соответствует полосе излучекомпоненте.

ния донорно-акцепторной рекомбинации (E = 3.26 эВ).

После легирования Eu вид спектра БКФЛ изменился Введение Er привело к дальнейшему изменению (GaN Eu, см. рис. 2, кривая 2), имеется одна ли- вида спектра — увеличению интенсивности полосы ния излучения, соответствующая излучению экситона, Д-АР и появлению интенсивной полосы излучения с связанного на нейтральном доноре D0, x (E = 3.46 эВ, = 530-560 нм (рис. 2, кривая 4), что соответствуФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние дополнительно введенных примесей Zn и Eu на вид спектров... линии излучения = 1.54 мкм при легировании Er использовали кристаллы GaN p-типа (легированные Mg), выращенные тем же методом (HVPE), но на подложке из карбида кремния (SiC), имеющие концентрацию Mg — 3 · 1019 см-3 (по данным метода SIMS). В исходном кристалле интенсивность излучения БКФЛ мала, наличие максимальной интенсивности излучения на длине волны = 356.27 нм (E = 3.48 эВ) не соответствует положению экситона, связанного на нейтральном доноре D0, x (E = 3.463 эВ). Вид спектра БКФЛ исходного кристалла представлен на рис. 4, кривая 1. После легирования Er (GaN Mg + Er ) вид спектра изменился (представлен на рис. 4, кривая 2). Как видно из рисунка, на несколько порядков возросла интенсивность излучения в области = 390-420 нм. В то же время интенсивность излучения в коротковолновой области возросла незначительно (при сдвиге максмума излучения в длинноволновую область = 362.16 нм, E = 3.423 эВ), что не соответствует положению экситона, связанного на нейтральном акцепторе (E = 3.452 эВ). Ранее в работе [7] было показано, что Er является примесью замещения и, по всей вероятности, является акцептором в полупроводниковой материце GaN, поскольку в результате легирования появляется полоса Д-АР и экситон, связанный на нейтральном акцепторе A0, x в кристаллах, которые до Рис. 3. Спектр ФЛ кристалла GaN Eu + Zn + Er. Интенсивность в области = 356-560 нм определяется f - f -переходами с участием Er. На вставке — спектр излучения вблизи длины волны 1.54 мкм. T = 77 K.

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.