WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 12 Послесвечение вюрцитных кристаллов GaN, легированных редкоземельными металлами © 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, margaret.m@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 26 апреля 2004 г.) Методами измерения задержанных спектров близкраевой фотолюминесценции оценено влияние распределения примеси и суммарной концентрации дефектов на транспорт неравновесных носителей, обнаружены особенности послесвечения в кристаллах GaN, GaN Eu, Sm, Er. Показано, что уменьшение суммарной концентрации носителей коррелирует с послесвечением в вюрцитных кристаллах GaN. Оценено влияние дополнительной подсветки при длине волны 5145 на эволюцию задержанных спектров близкраевой фотолюминесценции для кристаллов с различным положением уровня Ферми.

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

1. Введение в роли глубокого уровня захвата, из-за чего ухудшается транспорт носителей к излучающим состояниям, опреИнтенсивные исследования гетероструктур с кванто- деляющим интенсивность и ширину линий излучения.

выми ямами на основе InGaN / GaN привели к созданию В итоге проблема увеличения эффективности излучения является задачей о транспорте возбуждения (в частряда светоизлучающих приборов на их основе. Для ности, неравновесных носителей) к соответствующим увеличения эффективности работы данных приборов центрам и тем самым зависит от их пространственного необходимо оценить эффективность транспорта нераврасположения.

новесных носителей заряда, обусловленного наличием Известно, что оценка кинетических параметров трансразличных дефектов, примесей и их неоднородным порта носителей в широкозонных полупроводниках явпространственным распределением в эпитаксиальном ляется сложной задачей в связи с необходимостью слое GaN.

получения контактов с требуемой высотой барьера.

Известно, что взаимодействие примесей и дефектов Существующие в настоящее время технологии нанесеявляется одной из основных проблем в физике пония многослойных контактов сложны и не учитывают лупроводников. В полупроводниках с пространственно изменения высоты барьера при изменении концентрации неоднородной структурой, к которым относятся эпидефектов в полупроводниковой матрице. Кроме того, таксиальные слои GaN, неоднородность распределения как правило, объемные кристаллы имеют достаточно примесей и дефектов можно варьировать путем гетбольшую степень гетерогенности микроструктуры, что терирующего воздействия редкоземельными металлами.

также осложняет интерпретацию полученных результаОднако при регистрации лишь стационарных спектров тов. В данной работе использовались бесконтактные опблизкраевой фотолюминесценции (БКФЛ) оставалась тические методы оценки как суммарной концентрации, нерешенной проблема пространственного упорядочения так и пространственной неоднородности дефектов.

дефектов. Для решения этой проблемы в настоящей Целью работы являлось определение влияния проработе были исследованы как стационарные, так и странственной корреляции между состояниями РЗИ и задержанные спектры БКФЛ кристаллов GaN, нелегиродефектами исходной матрицы GaN на особенности киванных и легированных РЗИ, при варьировании времени нетики неравновесных носителей заряда в кристаллах задержки.

GaN РЗИ, обусловленной транспортом носителей в леРанее в работах [1,2], на основании исследования гированных и нелегированных кристаллах. Кроме того, изменения спектров фотолюминесценции (ФЛ) объем- определялась возможность бесконтактных оптических методов измерений для оценки концентрации и трансных кристаллов GaN, легированных редкоземельными металлами (GaN РЗИ ), обнаружен эффект геттериро- порта носителей в широкозонной полупроводниковой матрице GaN. Для решения этой задачи исследовалась вания дефектов. Это происходит, по всей вероятности, эволюция задержанных (при варьировании времени заза счет уменьшения количества оборванных связей и держки) спектров близкраевой ФЛ (БКФЛ).

трансформирования глубоких состояний в мелкие и реализации обратной ситуации — трансформирования мелких состояний в глубокие в исходной матрице n-GaN 2. Эксперимент в результате возникновения акцепторных состояний.

Значительное уменьшение величин интенсивности и В настоящей работе РЗИ в кристаллы GaN вводили, ширины на полувысоте линии излучения (FWHM) в как и в работе [1], с помощью метода диффузии с целью образцах GaN РЗИ связано с тем, что РЗИ выступает уменьшения концентрации дополнительно введенных де2 2130 В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина фектов, появляющихся как в процессе выращивания кри- Оптические измерения проводились на дифракционсталла, так и в процессе имплантации примеси. Легиру- ном спектрометре СДЛ-2 с обратной линейной дисющие примеси Sm, Eu, Er вводили в каждую группу кри- персией 1.3 nm / mm в области краевой люминесценции сталлов при одинаковых технологических условиях — в GaN. В качестве источника излучения, возбуждающего одном технологическом цикле производили напыление фотолюминесценцию, использовалось несколько типов лазеров. Для возбуждения фотолюминесценции в стаципленок и последующий отжиг в атмосфере аммиака онарном режиме применялся непрерывный He–Cd лазер при температуре 1000-1050C в течение 1-1.5 часов.

Как и в работе [2], для реализации возможности бо- с длиной волны излучения = 3250 и мощностью излучения 5 mV (межзонное возбуждение GaN). Для лее широкого варьирования концентрации дефектов в измерения задержанных во времени спектров и процесисходной полупроводниковой матрице использовались сов затухания использовался импульсный азотный лазер кристаллы, полученные двумя различными методиками:

типа ЛГИ-21 с длиной волны излучения = хлорид-гидридной эпитаксией в открытой системе (ХГЭ, и длительностью импульса (на полуширине) 10 ns.

HVPE) (образцы первого типа) и разложением металлоЗадержанные спектры регистрировались во временном органических смесей (МОС — гидридная технология, окне длительностью 5-10 µs. Подсветка осуществляMOCVD) (образцы второго типа).

лась аргоновым лазером, работающим в непрерывном Основными источниками информации о концентрации режиме.

носителей и дефектов в исходных кристаллах являются (как и в работе [1]) спектры ФЛ, данные измерений концентрации носителей по методу Ван дер Пау (эф3. Экспериментальные результаты фект Холла), определение положения уровня Ферми и обсуждение в нелегированных и легированных эрбием кристаллах, исследование морфологии поверхности с помощью Спектры БКФЛ при нулевой задержке (стационарэлектронного микроскопа, данные по ширине кривой ные) объемных исходных кристаллов GaN разных типов дифракционного отражения (по данным рентгенострукпредставлены на рис. 1. 1 — спектр образцов первого турного анализа). Кроме того, концентрация носитетипа, полученных методом HVPE, 2 — спектр образцов лей и суммарная концентрация дефектов в исходных второго типа, полученных методом MOCVD. Следует и легированных кристаллах оценивались с помощью отметить, что в образцах первого типа концентрация нооптических измерений (спектров фотолюминесценции):

сителей, измеренная с помощью холловских измерений интенсивности и положения линий излучения; ширипо методике Ван дер Пау, практически не зависит от ны линий на полувысоте; определения временной затемпературы и составляет > 1018 cm-3. Уровень Ферми висимости этой величины по задержанным спектрам расположен при T = 77 K на 23 meV выше дна зоны при варьировании времени задержки и интенсивности проводимости.

возбуждения. РЗИ могут иметь в полупроводниковой В спектрах образцов первого типа присутствует матрице разное зарядовое состояние. Ион Er имеет асимметричная (формально определенная величина шиодну величину зарядового состояния (3+), а два других рины на полувысоте составляет 120-200 meV) лииона (Eu, Sm) — два различных значения (2+) и (3+).

Зарядовое состояние примесного иона Eu определялось с помощью Мессбауэровской спектроскопии.

В работе [3], посвященной исследованию влияния легирования РЗИ на спектры фотолюминесценции кристаллов GaN, показано, что метод введения примеси определяет вид спектра ФЛ: при введении РЗИ в процессе роста наблюдаются линии излучения, характерные для БКФЛ и внутрицентрового f - f перехода РЗИ. При введении РЗИ методом имплантации БКФЛ не наблюдается, наблюдаются лишь линии излучения, характерные для f - f переходов РЗИ (что может быть свидетельством большого количества дефектов, инициированных имплантацией).

В настоящей работе изучались стационарные и задержанные во времени спектры ФЛ. При анализе спектров ФЛ GaN кристаллов основное внимание уделяется положению и интенсивности линии БКФЛ, ее ширине на полувысоте. Для корректного сравнения спектров излучения разных кристаллов GaN контролируемые параметры — угол падения луча, интенсивность возбуждающего Рис. 1. Вид спектров фотолюминесценции кристаллов GaN света, температура — были постоянными (300 и 77 K). различных типов: 1 —тип 1, 2 —тип 2.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Послесвечение вюрцитных кристаллов GaN, легированных редкоземельными металлами ния излучения с положением максимума на энергии E = 3.463 eV (358.1 nm), что соответствует излучению экситона, связанного на мелком доноре (D0, x) [4], и полоса (3.27-3.18 eV), отвечающая донорно-акцепторной рекомбинации (D-A ФЛ) с участием мелких доноров и акцепторов. Следует заметить, что наличие полосы D-A ФЛ свидетельствует о наличии мелких акцепторных уровней.

На рис. 1 (кривая 2) представлен спектр ФЛ образцов второго типа. Концентрация носителей в этих образцах при T = 77 K на порядок меньше, чем в образцах первого типа. Уровень Ферми расположен при T = 77 K ниже дна зоны проводимости, и имеет место температурная зависимость концентрации носителей. В спектрах таких образцов также присутствует линия излучения с положением максимума на энергии E = 3.463 eV (358.1 nm), однако она имеет ширину на полувысоте 30-50 meV и симметричную форму. Такая ширина линии БКФЛ в кристаллах GaN n-типа при T = 77 K опреРис. 2. Вид спектров фотолюминесценции кристаллов GaN деляется (в том числе) концентрацией носителей [4,5] (тип 1) при варьировании времени задержки: 1 — td = 0, и для исследуемых образцов (Nd - Na > 1017 cm-3) 2 — td = 20 µs, 3 — td = 40 µs, 4 — td = 60 µs.

должна быть не менее 30 meV. Излучения в области (3.27-3.18 eV), отвечающего донорно-акцепторной рекомбинации (D-A ФЛ), не наблюдалось, но присостояния с большим временем жизни захваченных на сутствует полоса в желто-зеленой области спектра них фотовозбужденных носителей. Действительно, такая (2.2-2.5eV).

ситуация реализуется для эпитаксиальных слоев n-GaAs.

При анализе спектров ФЛ GaN кристаллов основное В n-GaAs наличие метастабильных состояний приводит внимание уделяется положению и интенсивности линии (D0, x), ее ширине на полувысоте и соотношению ин- к заметному модифицированию как стационарных, так и нестационарных спектров излучения [6–9]. Поэтому для тенсивностей этой линии и полосы D-A ФЛ. Следует выяснения роли корреляции между метастабильными заметить, что в реальных кристаллах линия (D0, x) состояниями и другими дефектами исходной матрицы имеет неоднородную ширину. Неоднородное уширение GaN в кинетике неравновесных носителей заряда в кривозникает вследствие того, что длины волн излучений, сталлах GaN РЗИ, а также для сравнения механизмов отвечающих излучательной рекомбинации носителей, транспорта носителей в легированных и нелегированных локализованных на разных мелких центрах, несколько различны. Причиной этого различия является диспер- кристаллах исследовалась эволюция задержанных (при варьировании времени задержки) спектров БКФЛ.

сия энергии термоактивации мелких доноров — ELT.

Вид задержанных спектров (в зависимости от вреВ свою очередь причина дисперсии ELT заключается мени задержки — td) кристаллов GaN первого типа в различных значениях локального потенциала Vloc в местах расположения мелких примесей. Это означает, (полученных методом HVPE), имеющих при нулевой зачто разнообразные дефекты, близко расположенные к держке величину ширины (120-200 meV), представлен мелким примесям, изменяют величину внутрикристал- на рис. 2. Следует отметить следующие характерные лического поля и тем самым оказывают влияние на особенности этих спектров: 1 — резкое (в 3 раза) дисперсию длин волн в пределах контура линии из- уменьшение (в основном с длинноволновой стороны лучения. При этом следует иметь в виду, что это контура) величины FWHM линии (D0, x) в образцах обусловлено неупорядоченным распределением дефек- первого типа по мере увеличения времени задержки тов в пространстве, отвечающем излучающей обла- (рис. 2, a); 2 — значительное по сравнению с линией сти образца. Интенсивность излучения линии (D0, x) (D0, x) уменьшение интенсивности полосы D-A ФЛ при и величина ширины на полувысоте зависят от кон- увеличении времени задержки td.

центрации излучательных и безызлучательных состоя- Феноменологически механизм формирования такого ний и транспорта носителей к ним. Отсюда следует, длительного послесвечения линии (D0, x) аналогичен что при одинаковых условиях эксперимента образцы случаю для n-GaAs с наличием метастабильных состояс разной интенсивностью ФЛ и величиной ширины ний (NMS) [9]. Однако при этом наблюдаются существенна полувысоте отличаются суммарной концентрацией ные отличия в особенностях длительного послесвечения дефектов. Эти дефекты порождают как глубокие уровни n-GaAs и n-GaN. В образцах n-GaAs (в отличие от (существенно уменьшающие время жизни свободных n-GaN) присутствие в спектрах полосы D-A ФЛ привоносителей), так и флуктуации плотности зонных со- дит к исчезновению долговременной кинетики на линии стояний. Кроме того, среди этих дефектов возможны D0, x. В эпитаксиальных слоях n-GaAs это обусловлено 2 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2132 В.В. Криволапчук, М.М. Мездрогина тем, что материал является топологически односвязным и присутствие в нем мелких акцепторных состояний порождает конкурирующий (по отношению к метастабильным центрам) канал захвата фотовозбужденных дырок в эти состояния, в результате чего значительно уменьшается заселенность метастабильных состояний.

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.