WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1 УДК 621.315.592 Влияние кратковременных высокотемпературных отжигов на фотолюминесценцию легированного эрбием GaN в области длин волн 1.0-1.6 мкм © В.Ю. Давыдов, В.В. Лундин, А.Н. Смирнов, Н.А. Соболев, А.С. Усиков, А.М. Емельянов†, М.И. Маковийчук, Е.О. Паршин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия † Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Институт микроэлектроники Российской академии наук, 150007 Ярославль, Россия (Получена 20 апреля 1998 г. Принята к печати 23 апреля 1998 г.) Исследовано влияние условий кратковременного отжига и дополнительной соимплантации ионов кислорода на фотолюминесценцию ионов эрбия, имплантированных с энергией 1 МэВ и дозой 5 · 1014 см-2 в пленки GaN, выращенные методом газофазного осаждения из металлорганических соединений. Интенсивность эрбиевой фотолюминесценции на длине волны 1.54 мкм возрастает с повышением температуры изохронного (в течение 15 с) отжига от 700 до 1300C. Соимплантация ионов кислорода позволяет увеличить интенсивность эрбиевой фотолюминесценции при температурах отжига из указанного диапазона, меньших 900C. Методом рамановской спектроскопии исследована трансформация кристаллической структуры образцов в результате имплантации ионов эрбия и последующих отжигов.

Введение интенсивности ФЛ (IPL) Er3+ от T0 наблюдался максимум при T0 = 800C [1,3,4]. Цель настоящей работы Растущий интерес к исследованию люминесценции заключалась в исследовании ФЛ в области длин волн полупроводников, легированных редкоземельными эле- 1.01.6 мкм образцов GaN : Er и GaN : (Er, O) после ментами, обусловлен перспективами их использования более кратковременных отжигов и в более широком, чем в устройствах оптоэлектроники. Одним из таких пер- в предшествующих работах, температурном интервале спективных материалов является нитрид галлия. К на- 700 1300C.

стоящему времени наибольший объем исследований выполнен на GaN, легированном эрбием. Это обусловлено Экспериментальные условия тем, что излучательные переходы электронов с первого возбужденного состояния I13/2 иона Er3+ в основное Нелегированные пленки GaN n-типа проводимости состояние I15/2 лежат в области длин волн, сос концентрацией носителей заряда n 1018 см-3 и ответствующих минимальным потерям и дисперсии в толщиной 1.2 мкм выращивались на поверхности (0001) световодах ( 1.54 мкм), используемых в устройствах сапфировых подложек методом газофазного осаждения волоконно-оптической связи.

из металлорганических соединений (MOCVD). ПроцеВ большинстве работ эрбий вводился в GaN методом дура выращивания включала в себя осаждение буферионной имплантации. Значительная фотолюминесценного слоя GaN толщиной около 200 нм при низкой ция (ФЛ) Er3+ в GaN наблюдалась только после вытемпературе (500C) с последующим ростом эпитаксокотемпературных отжигов имплантированных образсиального слоя GaN при более высокой температуре цов. Исследование влияния условий таких отжигов на (1040C) [8]. Ионы эрбия с энергией E = 1МэВ, ФЛ Er3+ ранее проводилось при температурах отжига дозой D = 5 · 1014 см-2 и кислорода с E = 0.115 МэВ, T0 1000C и при значительных длительностях отD = 5 · 1015 см-2 имплантировались при комнатной темжига (порядка нескольких десятков минут) [1–7]. Как пературе. Расчетная величина проецированного пробега отмечено в [2], отжиги при температуре выше 1000C ионов составляет 0.25 мкм. Имплантированные образне использовались из-за возможности повреждения по- цы отжигались в печи для быстрого термического отжига верхности GaN. Анализ работ [1–4] по влиянию условий при T0 = 700 1300C в течение времени t = 15 400 с отжига показывает, что по мере увеличения T0 образцов в потоке азота. Разогрев образцов осуществлялся галогеGaN с имплантированным Er (GaN : Er) имеет место новыми лампами. Поэтому в наших экспериментах время возрастание ФЛ Er3+ вплоть до T0 = 1000C. Если разогрева до заданной температуры было всегда много кроме Er в GaN проводилась имплантация кислорода меньше длительности отжига.

(образцы GaN : (Er, O)) с концентрацией, в 5 10 раз Для возбуждения ФЛ использовалось излучение гапревышающей концентрацию Er, то на зависимостях логеновой лампы, выделяемое полосовым фильтром из 1 4 В.Ю. Давыдов, В.В. Лундин, А.Н. Смирнов, Н.А. Соболев, А.С. Усиков, А.М. Емельянов...

Рис. 1. Спектры фотолюминесценции образца GaN : Er после отжига при температуре 1300C в течение 400 с. Температура измерения, K: 1 — 300, 2 — 80. Для удобства спектр 2 смещен вверх на 0.25 отн.ед. На вставке — спектр пропускания T светофильтра из оптического стекла СЗС-24.

оптического стекла СЗС-24. Спектр пропускания (T ) максимумом при = 1.538 мкм, обусловленного пересветофильтра в диапазоне длин волн 0.31.65 мкм пред- ходами электронов с первого возбужденного состояния 4 ставлен на вставке к рис. 1. Мощность излучения, сфо- I13/2 на основной уровень I15/2 ионов Er3+, в спектрах кусированного линзовой системой на образце, во всех присутствует широкая полоса люминесценции в области экспериментах поддерживалась постоянной и составляла 1.0 1.4 мкм с максимумом при 1.17 мкм, а 50 мВт. Для регистрации ФЛ использовался монохро- также ряд небольших пиков вблизи 1 мкм, которые матор при разрешении 3 нм и InGaAs-фотоприемник, ра- могут быть обусловлены переходами электронов из втоботающий при комнатной температуре. Световой поток рого возбужденного состояния I11/2 иона Er3+ в основот галогеновой лампы модулировался секторным прерыное состояние I15/2 [2]. Широкая полоса излучения в вателем с частотой 18 Гц. Импульсы фототока приемника области 1.0 1.4 мкм связана с ФЛ на дефектах преобразовывались в переменное напряжение, которое в GaN, поскольку наблюдается после имплантации как регистрировалось с помощью селективного вольтметра.

ионов эрбия, так и неодима [2] или хрома [5]. Отметим, Кристаллическая структура имплантированных эрбием что нами не зарегистрировано значительных различий в образцов исследовалась методом рамановской спектрохарактере спектров ФЛ образцов GaN : Er и GaN : (Er, O).

скопии. Эта методика является одной из немногих, позвоДля представленного на рис. 1 образца интенсивность ляющих регистрировать изменения в кристаллической ФЛ на = 1.538 мкм увеличивалась в 3.5 раза при решетке исследуемых объектов как в ближнем, так и в понижении температуры от 300 до 80 K. Для аналогично дальнем порядке. Рамановские спектры были измерены отожженного образца GaN : (Er, O) указанная интенсивна автоматизированной спектральной установке на баность увеличивалась в 3.9 раза. Интенсивность полосы, зе двойного решеточного монохроматора. Возбуждение обусловленной дефектами, в максимуме при охлаждении осуществлялось линией аргонового лазера = 488 нм, от 300 до 80 K увеличивалась более чем в 2 раза для мощность возбуждающего излучения на образце состаобоих типов образцов.

вляла 30 мВт в пятне диаметром 50 мкм. Все поляриНа рис. 2 приведены измеренные при 300 K зависимозованные спектры были записаны в ”геометрии отрасти интенсивности ФЛ ионов Er3+ при = 1.538 мкм жения назад” при комнатной температуре. В качестве и дефектов при = 1.17 мкм от температуры отжига детектора использовался охлаждаемый фотоумножитель, при длительности отжига t = 15 с для образцов GaN : Er совмещенный с системой счета фотонов.

и GaN : (Er, O). Из рис. 2 видно, что интенсивность ФЛ Er3+ возрастает при увеличении T0 от 700 до 1300C.

При T0 < 900C ФЛ в образце GaN : (Er, O) выше, чем в Результаты и обсуждение образце GaN : Er, а при T0 > 900C наблюдается обратНа рис. 1 представлены измеренные при 300 и 80 K ное соотношение интенсивностей. Значительное излучеспектры ФЛ образца GaN : Er, подвергнутого отжигу ние дефектов начинает проявляться при T0 > 1100C и при 1300C в течение 400 с. Помимо пика излучения с увеличивается по мере роста температуры отжига.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № Влияние кратковременных высокотемпературных отжигов на фотолюминесценцию... Рис. 2. Зависимости интенсивности фотолюминесценции при 300 K на = 1.538 мкм (1, 2) и = 1.17 мкм (3, 4) от температуры изохронного отжига образцов GaN : Er (1, 3) и GaN : (Er, O) (2, 4). Время отжига t = 15 с.

Рис. 3. Зависимости интенсивности фотолюминесценции при 300 K на = 1.538 мкм (1, 2) и = 1.17 мкм (3, 4) от времени отжига образцов GaN : Er (1, 3) и GaN : (Er, O) (2, 4). Температура отжига T0 = 1300C.

На рис. 3 для образцов GaN : Er и GaN : (Er, O) приве- Полученные в работе рамановские спектры позволили дены измеренные при 300 K зависимости интенсивности проследить трансформацию структуры имплантированФЛ на = 1.538 и 1.17 мкм от времени отжига образцов ного слоя по мере увеличения температуры отжига.

при 1300C. Видно, что для образца GaN : Er максималь- На рис. 4 (кривая 1) представлен рамановский спектр ный сигнал ФЛ на = 1.538 мкм наблюдается уже неимплантированного образца GaN. Согласно правилам при t = 15 с, а для образца GaN : (Er, O) интенсивность отбора для рамановского спектра гексагонального GaN ФЛ растет с увеличением времени отжига. Для обоих в геометрии рассеяния, используемой в эксперименте, типов образцов с увеличением времени отжига при (здесь ось z совпадает с оптической осью слоя GaN) 1300C происходит значительный рост интенсивности должны наблюдаться три линии. Две из них соответствулюминесценции, связанной с дефектами. ют неполярным оптическим фононам симметрии E2 и их Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 6 В.Ю. Давыдов, В.В. Лундин, А.Н. Смирнов, Н.А. Соболев, А.С. Усиков, А.М. Емельянов...

Рис. 4. Спектры рамановского рассеяния: 1 — неимплантированный образец GaN, звездочками отмечены линии подложки Al2O3;

2 — образец GaN : Er до отжига; (3–5) — образец GaN : Er после отжига при T0 = 700Cи t = 15 с (3), T0 = 1000Cи t = 15 с (4), T0 = 1300Cи t = 400 с (5).

частоты для слоя GaN в отсутствие деформации соот- других геометриях рассеяния, также выявили хорошее (1) (2) согласие полученных экспериментальных результатов ветственно равны: E2 = 145 см-1, E2 = 568 см-1 [9].

с правилами отбора для гексагональной модификации.

Третья линия соответствует продольному компоненту Таким образом, исследованный образец может быть класполярного фонона симметрии A1(LO). Ее частота близка сифицирован как эпитаксиальный слой гексагонального к A1(LO) = 735 см-1 для образцов с концентрацией GaN с оптической осью, направленной по нормали к носителей заряда n 1 · 1016 см-3 и возрастает с увеличением концентрации носителей в образце. Рама- плоскости подложки. В то же время небольшой сдвиг новский спектр, представленный кривой 1, полностью частот фононов в высокочастотную сторону свидетельсогласуется с правилами отбора для спектра 1-го поряд- ствует о наличии в GaN напряжения порядка 0.3 ГПа, ка гексагонального GaN. Исследования, проведенные в имеющего характер напряжения сжатия в плоскости Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № Влияние кратковременных высокотемпературных отжигов на фотолюминесценцию... слоя. Оценка концентрации носителей, полученная из интенсивности фононных линий симметрии E2 и A1(LO) положения линии A1(LO) = 740 см-1, дает величину и уменьшение интенсивности полос, связанных с фононn = 3·1017 см-3. Различие в величинах n, полученных из ными модами, активированными беспорядком в кристалвольт-фарадных измерений и оцененных из рамановских лической решетке. Однако из сравнения кривых 1 и данных, указывает на неоднородность в распределении видно, что даже отжиг при T0 = 1300C в течение 400 с концентрации носителей по объему образца.

не полностью восстановил кристаллическую структуру.

Кривая 2 на рис. 4 представляет рамановский спектр На это указывает наличие в спектре 5 полосы в области образца GaN : Er. Этот спектр очень сильно отличаетакустических фононов с максимумом вблизи 130 см-1.

ся от кривой 1, он характеризуется наличием широЭту полосу можно соотнести с появлением в рамановких полос в диапазоне 50 750 см-1 вместо резких ском спектре 1-го порядка запрещенных акустических линий, соответствующих спектру неимплантированного фононов на границе зоны Бриллюэна вследствие нарушеобразца. Известно, что при имплантации трансляционния идеальной кристаллической решетки дефектами. В ная симметрия кристаллической решетки с увеличением области дисперсии оптических фононов (500750 см-1) дозы постепенно теряется. Как следствие, происходит также наблюдаются следы полос, связанных с фононнырелаксация правил отбора по волновому вектору и в ми модами, активированными беспорядком в кристаллиспектрах имплантированных образцов появляются полоческой решетке.

сы, связанные с фононными модами, активированными беспорядком. Одновременно наблюдается прогрессирую- Трансформация спектров образцов GaN : (Er, O), подвергнутых отжигу, в целом очень близка к картине, щее уменьшение интенсивности рамановских фононных мод 1-го порядка. В конечном итоге при больших дозах представленной на рис. 4. Однако следует отметить, рамановский спектр имплантированных образцов отра- что в спектре образцов GaN : Er, начиная с температуры жает плотность колебательных состояний исследуемого T0 = 1000C, на частоте вблизи 360 см-1 возникает материала [10]. Фононная плотность состояний является линия, которая растет по интенсивности с увеличением одной из фундаментальных характеристик материала.

температуры отжига. В спектрах отожженных образцов Как правило, сведения о ней получают из данных по GaN : (Er, O) проявление этой особенности почти на порассеянию нейтронов. Однако в настоящее время в литерядок слабее. Отметим, что указанная линия отсутствует ратуре нет таких данных в связи с тем, что отсутствуют в спектре исходного образца, однако мы наблюдали монокристаллы GaN требуемых размеров для проведевозникновение точно такой же особенности в спектрах ния нейтронных экспериментов. В работе [11] из первых образцов GaN : Mg (энергия облучения 100 кэВ, доза принципов проведен расчет дисперсии фононных ветвей 5 · 1015 см-2), подвергнутых отжигу в атмосфере азота по зоне Бриллюэна для гексагонального GaN и привепри T0 = 1000C и выше. В настоящее время природа дена фононная плотность состояний, восстановленная и особенности поведения рамановской линии вблизи на основе полученных данных для дисперсии фононов.

360 см-1, возникающей в спектре отожженного GaN, Сопоставление кривой 2, изображенной на рис. 4, с подвергнутого имплантации различными ионами, нахофункцией плотности фононных состояний, приводимой в дится в стадии исследования.

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.