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) [1Ц7]. 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 [1Ц4] 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 Ч 300, 2 Ч 80. Для удобства спектр 2 смещен вверх на 0.25 отн.ед. На вставке Ч 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 Фгеометрии отрасти интенсивности ФЛ ионов Er3+ при = 1.538 мкм жения назадФ 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 Ч неимплантированный образец GaN, звездочками отмечены линии подложки Al2O3;
2 Ч образец GaN : Er до отжига; (3Ц5) Ч 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 = 31017 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: | 1 | 2 | Книги по разным темам