WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Фотолюминесценция объемных кристаллов GaN, легированных Eu © В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, А.В. Насонов, С.Н. Родин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: vlad.krivol@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 30 января 2003 г.) На основании исследований изменения спектров фотолюминесценции объемных кристаллов GaN, легированных Eu, показано, что в зависимости от суммарной концентрации дефектов в исходной полупроводниковой матрице легирующая примесь может находиться в кристалле в различном зарядовом состоянии.

В кристаллах с наименьшей концентрацией дефектов с мелкими уровнями реализуется лишь одно зарядовое состояние иона — Eu3+. Обнаружено, что при увеличении концентрации таких дефектов Eu в матрице GaN может существовать в двух зарядовых состояниях — Eu2+ и Eu3+. Наблюдался эффект геттерирования дефектов исходной матрицы GaN редкоземельной примесью.

Создание светоизлучающих приборов, работающих ра. Это важно, поскольку ввeдение акцепторной припри комнатной температуре, является одной из важ- меси оказывает компенсирующий эффект в материале нейших задач современной оптоэлектроники. Перспек- с n-типом проводимости, который, как правило, имеют тивным материалом для решения данной проблемы яв- объемные нелегированные кристаллы GaN.

ляется широкозонный GaN, легированный редкоземель- Цель данной работы состояла в исследовании спекными ионами (GaN РЗИ ). Использование GaN РЗИ тров фотолюминесценции объемных кристаллов GaN, обусловлено тем, что температурное гашение фотолю- легированных Eu, при различной суммарной концентрации дефектов в исходной полупроводниковой матрице.

минесценции (ФЛ), характерной для внутрицентрового перехода в РЗИ, тем меньше, чем больше ширина запрещенной зоны полупроводниковой матрицы, в которую 1. Эксперимент введен РЗИ [1–3]. Кроме того, в GaN РЗИ (по сравнению с кристаллическим кремнием (c-Si) и пленками Объемные исходные кристаллы GaN получены меаморфного гидрированного кремния (a-Si : H)) возможно тодом хлоридного газофазного эпитаксиального роста.

существенное увеличение концентрации РЗИ и, следоПо данным рентгеноструктурного анализа полуширина вательно, увеличение интенсивности внутрицентровых кривой дифракционного отражения была одинакова во переходов. Как было показано на примере GaN Er, это всех исследованных образцах и не превышала 10 min.

является следствием изменения типа связей: от ионноМорфология поверхности образцов характеризовалась ковалентной связи Ga–N к ионной связи Er–N (в отличие различными размерами неоднородностей от 1 до 10 µm.

от металлической связи Er–Si в c-Si Er [4]).

До настоящего времени РЗИ вводили в матрицу GaN Несмотря на существенные успехи в прикладных либо в процессе роста методом молекулярно-лучевой разработках светоизлучающих приборов на основе нитэпитаксии [1,2], либо методом имплантации [3] с порида галлия, остается актуальной проблема, связанследующим отжигом. Однако до сих пор не рассматная с уменьшением суммарной концентрации дефекривалось влияние концентрации дефектов в исходной тов в кристаллах (под дефектами подразумеваются все полупроводниковой матрице на спектры ФЛ после ленесовершенства кристаллической структуры материала).

гирования. Как и в работах [6,7], метод диффузии Одним из методов уменьшения концентрации дефектов использован для введения Eu в GaN, поскольку данная в полупроводниковых материалах является легирование технология введения легирующей примеси (по сравнеРЗИ [5], в результате чего осуществляется геттериронию с имплантацией, связанной с высокоэнергетическим вание. Методы геттерирования широко используются способом введения легирующего компонента) обеспечив полупроводниковой технологии. Так, в кристалливает меньшую концентрацию дополнительных дефектов.

ческом кремнии с помощью геттерирования удалось Кроме того, метод диффузии в отличие от введения Eu уменьшить концентрацию остаточных примесей и де- в процессе роста не приводит ни к изменению кинетики фектов до 1011 cm-3, что способствовало успешному роста кристаллов, ни к появлению неконтролируемых решению проблемы создания материала для силовых сегрегационных образований.

и фотоприемных устройств. В данной работе в каче- Люминесценция возбуждалась импульсным азотным стве легирующего компонента выбран европий (Eu).

лазером ( = 337.1 nm, диаметр пятна на образце раТакой выбор обусловлен тем, что Eu может находиться вен 150 µm). Регистрация спектров ФЛ осуществляв полупроводниковой матрице (GaN) в двух различных лась методом время-коррелированного счета фотонов зарядовых состояниях — Eu2+ и Eu3+. Есть основания с использованием дифракционного спектрометра СДЛ-2.

полагать, что Eu2+ может выступать в роли акцепто- Спектральные измерения проводились при температуре Фотолюминесценция объемных кристаллов GaN, легированных Eu 77 K. Для корректного сравнения спектров излучения локализованных на разных мелких центрах, несколько разных образцов контролируемые условия эксперимен- различны. Причиной этого различия является дисперсия та (температура, плотность возбуждения, спектральное энергии термоактивации мелких доноров ELT. В свою разрешение, угол падения лазерного луча) поддержива- очередь причина дисперсии ELT заключается в различлись постоянными. ных значениях локального потенциала Vloc в местах расположения мелких примесей. Это означает, что разнообразные дефекты, близко расположенные к мелким 2. Экспериментальные результаты примесям, изменяют величину внутрикристаллического и обсуждение поля и тем самым оказывают влияние на длину волны излучения. Поэтому существенное различие FWHM Спектры близкраевой фотолюминесценции (БКФЛ) линии БКФЛ в исходных образцах определяется разной объемных исходных кристаллов GaN (образцы № концентрацией разнообразных дефектов в этих образцах.

и 2) представлены на рис. 1. При сравнении спектров Интенсивность излучения линии БКФЛ и FWHM завиэтих образцов обращает на себя внимание большое сит от концентрации излучательных и безызлучательных отличие величины интенсивности, ширины на полувысостояний и транспорта носителей к ним. Параметры соте (FWHM) и разное положение максимума этой транспорта носителей определяются в свою очередь линии. В образце № 1 энергия максимума E = 3.463 eV хвостами плотности состояний в запрещенной зоне и (358.1 nm) и величина FWHM = 9 meV, а в образце положением уровня протекания [8–11]. Отсюда следует, №2 E = 3.451 eV (358.7 nm) и FWHM = 100 meV. Инчто при одинаковых условиях эксперимента образцы тенсивность линии БКФЛ в образце № 2 на порядок с разной интенсивностью ФЛ отличаются, прежде всебольше, чем в образце № 1. При анализе спектров го, концентрацией дефектов. Эти дефекты порождают ФЛ основное внимание уделяется интенсивности линии как глубокие уровни (существенно уменьшающие вре(БКФЛ) и ее ширине на полувысоте (FWHM). Эта линия мя жизни свободных носителей), так и флуктуации имеет неоднородную ширину. Неоднородное уширение плотности зонных состояний. Кроме того, в кристалвозникает вследствие того, что длины волн излучения, лах GaN n-типа при T = 77 K величина FWHM лиотвечающих излучательной рекомбинации носителей, нии БКФЛ зависит от концентрации носителей определенным образом [12] и для исследуемых образцов (Nd - Na > 1017 cm-3) должна быть не менее 30 meV.

В образце № 1 линия излучения с энергией E = 3.463 eV (358.1 nm) соответствует излучению экситона, связанного на мелком доноре [13]. Вследствие изложенных выше причин уширения линии ФЛ обращает на себя внимание аномально малая величина FWHM в образце № 1. Малая величина интенсивности и FWHM может объясняться тем, что мелкие доноры расположены ниже уровня протекания, поэтому в формировании этой линии излучения участвует малое количество доноров. Образец № 2 имеет меньшую (по сравнению с образцом № 1) концентрацию дефектов.

В нем наблюдается достаточно интенсивная БКФЛ и присутствует полоса, отвечающая донорно-акцепторной рекомбинации (ДАР–ФЛ). Наличие полосы ДАР–ФЛ и положение линии БКФЛ Emax = 3.451 eV (которая приписывается излучению экситона, связанного на нейтральном акцепторе [14]) свидетельствуют о наличии мелких акцепторных уровней.

Вид спектров соответствующих образцов после легирования европием представлен на рис. 2 (кривые a, b).

Наблюдаются существенные изменения спектров ФЛ после введения Eu (рис. 2). В образце № 1 по сравнению с нелегированным кристаллом увеличиваются как интенсивность линии излучения Emax = 3.451 eV (359.2 nm) (в 5 раз), так и значение FWHM (в 7.4 раза), кроме того, появляются интенсивные линии ДАР–ФЛ при E = 3.254 (381 nm) и 3.17 eV (391 nm). В образРис. 1. Спектры фотолюминесценции исходных кристаллов GaN: № 1 (1) и 2 (2). це № 2 наблюдается одна линия при Emax = 3.463 eV Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1558 В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, А.В. Насонов, С.Н. Родин ма излучения при E = 2.306 eV (543 nm), так и полоса с максимумом 660 nm.

При анализе причин изменения вида спектров ФЛ образцов, легированных Eu, следует отметить несколько важных обстоятельств. Как уже упоминалось, исходные образцы отличаются концентрацией дефектов полупроводниковой матрицы и размерами неоднородности поверхности. Как показано в [17] на основании данных по мессбауэровской спектроскопии, ЭПР, измерений электрофизических свойств пленок a-Si : H Eu, реализация различного зарядового состояния иона Eu определяется концентрацией дефектов (оборванных и напряженных Si–Si, Si–H-связей — глубоких и мелких уровней) матрицы. В связи с этим следует ожидать, что и в GaN с различной концентрацией дефектов ион Eu также может оказаться в разных зарядовых состояниях (Eu2+, Eu3+). Данное обстоятельство обусловлено тем, что, как известно, величина ионного радиуса Eu3+ (Ri 0.95 ) меньше, чем величина ионного радиуса Eu2+ (Ri 1.1 ) [18]. Значительное уменьшение величины интенсивности и FWHM в образце № 2 (более чем на порядок) связано с тем, что ион Eu3+ выступает в роли глубокого уровня захвата, из-за чего ухудшается транспорт носителей к излучающим состояниям, определяющим интенсивность и FWHM линии БКФЛ. Следует также отметить, что в кристалле № 2 исчезает полоса донорно-акцепторной рекомбинации (отвечающей мелким примесям). Данный факт может свидетельствовать Рис. 2. Спектры фотолюминесценции кристаллов GaN, легио том, что, по всей вероятности, появились глуборованных Eu: № 1 (1) и 2 (2).

кие акцепторы, вызванные комплексами Eu2+ + вакансия азота. В пользу этого предположения указывает наличие излучения на длине волны 430.4 nm (2.88 eV) (появля(358.0 nm) со сдвигом максимума излучения в коротко- ющейся после введения Eu), характерной для вакансии волновую область спектра на 0.7 nm и c величиной азота [19]. Вид спектра ФЛ в длинноволновой области FWHM = 9 meV. Интенсивность этой линии по сравне- спектра этого кристалла подобен спектру ФЛ GaN Eu, приведенному в работе [20].

нию с нелегированным образцом уменьшилась почти В исходном (нелегированном Eu) образце № 1 с наина порядок, а ДАР–ФЛ полностью исчезла. Следует меньшей концентрацией мелких дефектов, но с наиподчеркнуть, что увеличение ДАР–ФЛ, аналогичное отбольшей концентрацией глубоких дефектов реализуетмеченному в образце № 1, наблюдалось при легирося (после легирования Eu) преимущественно только вании магнием кристаллов GaN, полученных методом одно зарядовое состояние — Eu3+. На это указывамолекулярно-пучковой эпитаксии на подложках из GaAs ет существование в длинноволновой области спектра и сапфира с концентрацией ионизованных акцепторов полосы с максимумом (660 nm), наиболее вероятного na = 1.5 · 1017 cm-3 [15]. В соответствии с принятой для излучения Eu3+. Из вида спектра образца № в настоящее время точкой зрения РЗИ в соединениях на рис. 2 следует, что в этом случае линия БКФЛ A3B5 [16] порождают изоэлектронные ловушки, однако GaN (3.451 eV) уширяется. Это уширение возникает отсутствуют экспериментальные данные относительно вследствие появления дополнительных дефектов при того, будут ли РЗИ играть роль доноров или акцепторов легировании РЗИ, которые приводят к увеличению дисв GaN. В этой связи следует отметить, что появление персии энергий ELT мелких состояний и к увеличению полосы донорно-акцепторной рекомбинации в GaN Eu концентрации в основном мелких акцепторов, на что cвидетельствует об акцепторной природе иона Eu2+.

указывает появление интенсивной ДАР–ФЛ, возникшей Кроме того, в легированных Eu образцах возникает после легирования Eu. Таким образом, можно предпоизлучение в длинноволновой области спектра. В спектре ложить, что эффект геттерирования сводится к уменьобразца № 1 появляется лишь полоса с максимумом шению количества оборванных или напряженных связей 660 nm, связанная, по-видимому, с внутрицентровым Ga–N [4].

переходом D1-7F3. В спектре образца № 2 появляются Cравнение спектров ФЛ позволяет сделать вывод как достаточно широкая полоса с положением максиму- о том, что введение Eu в кристаллы n-GaN привоФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. Фотолюминесценция объемных кристаллов GaN, легированных Eu дит к эффекту геттерирования в результате появления [4] P.H. Citrtn, P.A. Northrup, R. Birkhahn, A.J. Steckl. Appl.

Phys. Lett. 76, 2865 (2000).

мелких акцепторов, обусловленных наличием РЗИ. При [5] Л.С. Власенко, А.Т. Гореленок, В.В. Емцев, А.В. Каманин, этом тип акцептора (мелкий или глубокий) определяетД.С. Полоскин, Н.М. Шмидт. ФТП 35, 2, 184 (2001).

ся зарядовым состоянием иона Eu (3+ и 2+ соответ[6] В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина, С.Д. Раевский, ственно). Реализация различного зарядового состояния А.П. Скворцов, Ш.А. Юсупова. Письма в ЖТФ 28, 7, РЗИ обусловлена степенью дефектности исходных кри(2002).

сталлов. В свою очередь геттерирование дефектов РЗ [7] Ю.В. Жиляев, А.С. Адрианов, М.М. Мездрогина, ионами существенно различно в случае наличия в криВ.А. Некрасов, И.Н. Сафронов. Тез. II Российской конф.

сталле Eu3+ и Eu2+. В первом случае (реализация Eu3+) по физике полупроводников. Новосибирск (1999). С. 56.

в основном происходит трансформирование глубоких [8] R.A. Street. Adv. in Phys. 30, 593 (1981).

уровней в мелкие. Это приводит к появлению ДАР–ФЛ, [9] S. Permogorov, A. Reznitsky. J. Lumin. 52, 201 (1992).

[10] E. Cohen, M. Sturge. Phys. Rev. B 25, 3828 (1982).

увеличению интенсивности БКФЛ и FWHM, а во втором [11] A. Klochichin, A. Reznitsky, S. Permogorov, T. Breitkopf, (наличие двух зарядовых состояний Eu3+ и Eu2+) реаM. Gruen, M. Hetterich, C. Klingshirn, V. Lyssenko, лизуется обратный процесс — переход мелких уровней J.V. Hvam. Phys. Rev. B 59, 12 497 (1999).

в глубокие, в результате уменьшается как FWHM, так и [12] E. Iliopoulos, D. Doppalapudi, H.M. Ng, T.D. Moustakas.

интенсивность БКФЛ. В то же время при анализе причин Appl. Phys. Lett. 73, 377 (1998).

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.