WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 11 Влияние миграции энергии на форму линии излучения в структурах с квантовыми ямами на основе InGaN/GaN © В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: vlad.krivol@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 12 января 2006 г.) Структуры с квантовыми ямами на основе InGaN/GaN с неоднородностями в латеральной плоскости использовались для изучения влияния механизма миграции электронных возбуждений и захвата носителей на формирование линии излучения квантовых ям. Исследованы стационарные и времяразрешенные спектры фотолюминесценции в широком спектральном диапазоне при варьировании температуры измерения (4.2, 77, 300 K). Исследована анизотропия (поляризация) излучения в структурах InGaN/GaN с различными неоднородностями. Показана важность процессов обмена возбуждением между неоднородностями для формирования линии излучения системы квантовых ям.

Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“.

PACS: 78.67.De, 78.55.Cr.

1. Введение особенностью III-нитридов и структур на их основе является наличие встроенных пьезоэлектрических поИнтенсивные исследования гетероструктур с кванто- лей [5–7], которые влияют на характеристики спектров излучения, поглощения и динамику носителей заряда выми ямами (КЯ, MQW) на основе InxGa1-xN привели InGaN/GaN [8–11]. Вклад встроенных пьезоэлектричек созданию эффективных светоизлучающих диодов на их ских полей и разнообразных неоднородностей учитываоснове для различных областей спектра [1–4]. При этом ется при описании богатых своим разнообразием спексущественной особенностью III-нитридов (в частности, тров излучения структур с набором КЯ в III-нитридах MQW Inx Ga1-x N) по сравнению с другими соединения(и в частности в системе InGaN/GaN) [12–16]. Важным ми A3B5 является совокупность достаточно высокой эфявляется то, что встроенное электрическое поле может фективности излучения и большой концентрации разновлиять на транспорт неравновесных носителей в таких образных дефектов. Дефекты обусловлены тем, что гетеструктурах. Действительно, в работе [17] приводятся роструктуры InxGa1-xN имеют пространственные неодданные, свидетельствующие об увеличении диффузии нородности, вызванные флуктуациями состава твердого неравновесных носителей в латеральной плоскости в раствора InGaN, вплоть до разделения фаз InN и GaN.

результате существования в структурах вертикальных Вследствие этого эффективность излучения светодиодов (направление роста — z ) пьезоэлектрических полей.

в зеленой области спектра (высокое содержание In) В этой связи при интерпретации спектров люминесчасто несколько ниже, чем в синей области спектра (маценции структур с КЯ InGaN/GaN необходимо училое содержание In). Линейные размеры неоднородностей тывать транспорт неравновесных носителей в лате(вызванных флуктуациями состава твердого раствора ральной плоскости. Однако роль механизмов переноса InGaN) находятся в достаточно широком диапазоне элементарного возбуждения (миграции энергии) между величин от нано- до микрометров: квазидвумерные (2D) неоднородностями, которые вносят заметный вклад в островки, квантовые точки, макроскопические кластеры, заселение излучающих состояний и, следовательно, в дисперсия линейных размеров КЯ. Кроме того, приформирование спектра излучения, изучена недостаточно.

чиной различной эффективности излучения в образЦелью данной работы является экспериментальное цах является наличие заметной концентрации центров исследование влияния процессов миграции энергии на безызлучательной рекомбинации (NNR), в том числе особенности формирования и характеристики спектров обусловленных указанными дефектами. Следует заметить, что зависимость эффективности излучения от NNR излучения структур с КЯ InGaN/GaN.

отвечает ситуации, когда процесс захвата носителя на центр ограничивается только скоростью энергетических 2. Эксперимент потерь. Однако в кристаллах GaN, как и в наноструктурах InGaN/GaN, вследствие присутствия упомяну- Для экспериментального моделирования различных тых выше неоднородностей возникают препятствия для ситуаций, реализующихся в структурах (MQW — транспорта неравновесных носителей к центрам безыз- InGaN/GaN), в настоящей работе исследовались спектры лучательной рекомбинации, наличие которых уменьша- излучения большого ряда образцов с различными парает эффективность излучения. Еще одной существенной метрами слоев. Во всех случаях объекты исследования 10 2068 В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина представляли собой выращенные методом MOCVD на подложке из сапфира набор из пяти КЯ, ширина каждой около 2.5 nm, разделенных барьерами около 7.0 nm. Материалом барьера являлся GaN или GaN : Si. КЯ представляли слои твердого раствора Inx Ga1-xN, где x — процентное содержание In. Спектры фотолюминесценции (PL) и электролюминесценции (EL) образцов изучались как при стационарном, так и при импульсном возбуждении. При этом регистрировались стационарные и задержанные во времени (времяразрешенные) спектры фотолюминесценции при разных температурах и углах между осью роста структуры (перпендикулярной плоскости образца z ) и оптической осью спектрометра (направлением регистрации PL).

Стационарная фотолюминесценция возбуждалась светом гелий-кадмиевого лазера ( = 3250 ). Для измерения задержанных во времени спектров и процессов затухания использовался импульсный азотный лазер типа ЛГИ-21 с длиной волны излучения = и длительностью импульса (на полувысоте) 10 ns.

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

Задержанные спектры регистрировались при изменении Рис. 1. Спектры фотолюминесценции структур КЯ времени задержки td в интервале td =(0-80) µs и InGaN/GaN (образцы 1-4) при непрерывном возбуждении во временном окне длительностью 5-10 µs. ИзмереHE-Ne-лазером ( = 325 nm), интенсивность возбуждения проводились при температурах T = 300, 77, 4.2 K.

ния Wex максимальная (W0).

Для корректного сравнения спектров излучения разных структур контролируемые параметры в каждой серии экспериментов — угол падения луча, интенсивность возбуждающего света, температура — были постоянныследует отметить следующее: 1) величины интенсивноми. При изучении электролюминесценции возбуждение сти излучения исследуемых структур могут отличаться осуществлялось инжекцией либо постоянного, либо имдруг от друга на порядки при практически одинаковом пульсного тока.

спектральном положении линии, соответствующей максимальной интенсивности; 2) в зеленой области спектра в образцах с высокой интенсивностью излучения 3. Экспериментальные результаты (образцы № 3, 4 на рис. 1) линия PL (MQW) имеет и обсуждение сложную форму. Тем самым заметное различие формы линии излучения означает, что формирование излучения Исследовались спектры PL и EL большого числа в каждом из этих образцов имеет свои характерные светодиодных структур (LED) с КЯ InGaN/GaN как особенности.

при стационарном, так и при импульсном возбуждении.

Спектральное положение линии PL отвечает рекомПереходя к рассмотрению спектров, необходимо отме- бинации носителей, находящихся на уровнях пространтить тот общеизвестный факт, что основными харак- ственного квантования, и определяется составом твертеристиками линии излучения являются спектральное дого раствора InxGa1-xN КЯ в каждом образце. На (энергетическое) положение, интенсивность, форма и это указывает то обстоятельство, что положение линии полуширина (полная ширина на полувысоте — FWHM) практически не изменяется в диапазоне температур от линии излучения. Оказалось, что на основании пере- 4.2 до 300 K (рис. 2), что и следует ожидать при численных характеристик (спектральных критериев) все реализующейся суммарной (для электронов и дырок) исследованные образцы можно разделить на несколько высоте барьера (минимальная величина около 300 meV).

групп.

Интенсивность, форма и ширина на полувысоте линии Типичные стационарные спектры PL четырех образ- излучения в конкретном образце с КЯ определяются цов, относящихся к разным группам, представлены на заселенностью уровней размерного квантования Nz (E) рис. 1. Эти спектры отражают особенности излучения (направление z ) и особенностями функции распредеобразцов разных классов и характеризуются различным ления в латеральной плоскости F(x, y; E). Можно с содержанием индия в слоях, отвечающих КЯ. При этом большой вероятностью полагать, что интенсивность изФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. Влияние миграции энергии на форму линии излучения в структурах с квантовыми ямами... экситоны (носители) в результате захвата локализуются на флуктуациях потенциала в пределах каждого кластера. При условии большого количества кластеров в пределах пятна возбуждения спектр излучения будет представлять собой (при определенных условиях) ряд линий в пределах контура неоднородного уширения (рис. 1). При условии ограничения на транспорт возбуждения в латеральной плоскости пространственная компонента функции F(x, y; E) будет иметь выраженный немонотонный характер. В таком случае интенсивность каждой линии будет определяться количеством, а величина FWHM — особенностями пространственноэнергетической функции распределения излучающих состояний в пределах каждого кластера — Fcl(x, y; E) (такое явление наблюдается в КЯ в системе GaAs/AlGaAs, выращенных с прерыванием [19]). Вследствие изложенного выше наличие узких линий в пределах контура неоднородного уширения и соотношение их интенсивностей определяется параметрами кластеров. Это в первую очередь величина E = EQW - Ecl, характеризующая изменение уровня размерного квантования в кластере Ecl по отношению к уровню размерного квантования EQW КЯ (однородной в латеральной плоскости). Для ансамбля кластеров, кроме величины энергии локализации E, Рис. 2. Спектр фотолюминесценции при различных темпераособенности формирования и эволюции линии излучетурах T : 1 —4.2, 2 — 77, 3 — 300 K (Wex = W0).

ния будут определяться размерами кластеров Lcl и средним расстоянием между ними (R0 = Ncl cm-2). Зависимость от E = EQW - Ecl экспериментально проявляется лучения из области КЯ определяется Nz (E), а форма в различной форме линии излучения при температурах линии — видом функции F(x, y; E). Достаточно большая величина FWHM (форма линии описывается функцией распределения Гаусса) указывает на неоднородный характер уширения линии. Существенным фактором, определяющим неоднородную ширину линии излучения, является сложный пространственный рельеф случайного потенциала (в основном в латеральной плоскости x, y), в котором находятся носители (экситоны) в КЯ. Этот случайный потенциал обусловлен как флуктуациями толщины в пределах одного-двух монослоев КЯ, так и электрическим полем примесей в барьерах. Тем самым форма (и величина FWHM) линии излучения отражает вид пространственно-энергетической функции F(x, y; E) распределения излучающих состояний в каждом конкретном образце. В этой связи можно считать вполне естественным увеличение величины FWHM линии при увеличении длины волны излучения от 400 до 500 nm по мере увеличения содержания In в твердом растворе, поскольку при этом возрастает неоднородность кристаллической решетки, обусловенная флуктуациями состава твердого раствора (InGaN), образующего КЯ [3,18].

Флуктуации состава твердого раствора в системе InGaN могут приводить к образованию областей макроскопических размеров — кластеров с отличающимся от среднего составом In в слое (вплоть до разделения фаз InN и GaN). При характерных размерах кластеров (L > 1 µm), Рис. 3. Линия фотолюминесценции образца № 4 при максизаметно превышающих радиус экситонов aex (L > aex), мальной интенсивности возбуждения: 1 — T = 300, 2 —77 K.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2070 В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина T = 77 и 300 K. Действительно, как показано на рис. 3, формы линии излучения (образец № 4 на рис. 1) при T = 300 (a) (E < kBT) и T = 77 K (E > kBT ) (b) кардинально различаются. Это различие обусловлено изменением величины отношения E/kBT, (где kB — постоянная Больцмана), от которого (в том числе) зависит вероятность локализации (делокализации) экситонов и носителей и, следовательно, заселенности состояний в пределах кластера.

В диапазоне сравнительно невысоких возбуждений заселенность состояний в первую очередь определяется интенсивностью возбуждающего света (Wex). На рис. представлена эволюция формы линии излучения образца № 4 в зависимости от интенсивности возбуждения при T = 300 и 77 K (рис. 4, a и b соответственно).

Из сравнения вида эволюции при разных температурах видно, что при T = 300 K реализуется ситуация E < kBT, при которой функция Ftrap(x, y; E), описывающая пространственно-энергетическое распределение ловушек (излучающих состояний), имеет монотонный характер, а при T = 77 K наблюдается обратная ситуаРис. 5. Форма линии фотолюминесценции образца № 3 при температуре T = 300 (a) и 77 K(b) и разных интенсивностях возбуждения Wex: 1 — W0, 2 —0.8, 3 —0.5, 4 —0.25W0.

ция E > kBT, и немонотонная Ftrap(x, y; E). Ситуация, отличная от предыдущего случая, реализуется в другом образце (№ 3). При высокой температуре (T = 300 K) его линия излучения (в отличие от предыдущего случая) уже имеет тонкую структуру. Зависимость PL от интенсивности возбуждения для этого образца представлена на рис. 5 при T = 300 и 77 K. При температуре T = 77 K величина E > kBT, локализация увеличивается и миграция экситонов (носителей) затруднена. Поэтому при малой интенсивности возбуждения заселяется только небольшая часть излучающих состояний и в пределах неоднородного контура наблюдается только одна широкая линия (кривая 1 на рис. 5). При T = 77 K повышение интенсивности возбуждения (Wex) приводит к тому, что, начиная с некоторой пороговой величиth ны Wex, в пределах контура неоднородного уширения возникает ряд сравнительно узких интенсивных линий.

Это свидетельствует в пользу того, что в формировании излучения (как и в предыдущем случае) важную роль играют кластеры в латеральной плоскости и особенности Рис. 4. Форма линии фотолюминесценции образца № 4 при кинетики неравновесных носителей, которая определяет температуре T = 300 (a) и 77 K(b) и разных интенсивностях возбуждения Wex: 1 — W0, 2 —0.8, 3 —0.5, 4 —0.25W0. заселение излучающих состояний в этих кластерах.

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.