Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 2 Краевая ультрафиолетовая люминесценция активированных в плазме азота пленок GaN : Zn й А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев , У.А. Аминов, М.О. Воробьев, И.И. Ходос Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117333 Москва, Россия Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 26 июня 2000 г. Принята к печати 30 июня 2000 г.) Проведены исследования влияния отжига в плазме азота легированных цинком пленок нитрида галлия на спектры их фотолюминесценции, фотопроводимости, тип проводимости и морфологию поверхности.

Обнаружено появление интенсивного ультрафиолетового краевого свечения с максимумом на длине волны 376 нм после высокотемпературного отжига в плазме азота. Набюдалось значительное уменьшение голубой донорно-акцепторной и экситонной фотолюминесценции отожженных образцов GaN : Zn.

Введение ным пучком после роста пленок GaN : Mg позволило авторам [5] получить низкоомный p-тип проводимости.

Они обнаружили, что отжиг изначально изолирующих Получение качественных пленок нитрида галлия nпленок GaN : Mg при 700C в атмосфере азота также и p-типа проводимости позволило создать эффективные ведет к образованию дырочной проводимости. Авторы светодиоды и полупроводниковые лазеры для голубой объясняют данный эффект развалом образующихся при области спектра [1Ц3]. Следует отметить, что в данном росте пленки (метод MOCVD) электрически неактивных случае основным каналом излучательной рекомбинации комплексов магнийЦводород с образованием изолированявляются собственные точечные дефекты нитрида галных акцепторных центров магния, дающих эффективную лия, формирующие глубокие энергетические уровни в дырочную проводимость, необходимую для создания позапрещенной зоне материала [4,5]. Повышение стехиолупроводниковых структур.

метрии и кристаллического качества пленок GaN позволит не только сдвинуть максимум свечения в область Интересно проследить влияние процесса активации ультрафиолетовой экситонной люминесценции нитрида акцепторной примеси на люминесцентные свойства плегаллия, но и существенно увеличить эффективность элекнок. Из-за меньшей подвижности дырок излучательная тролюминесцентных структур. Наши предыдущие исслерекомбинация носителей в светодиодной структуре продования [6] показали донорно-акцепторную природу гоисходит именно в p-области. В связи с этим именно лубого свечения с максимумом при энергии = 2.8эВ, свечение легированной акцепторами пленки определяет где донором является вакансия азота в одном из своих спектральные характеристики приборов. Так, авторы [9] зарядовых состояний. Следовательно, для улучшения наблюдали увеличение интенсивности синей полосы изстехиометрии нитрида галлия требуется отжиг в азотной лучения пленок GaN : Mg после кратковременного высоатмосфере. Можно отметить, что кратковременный высокотемпературного отжига. В другой работе [7] аналогичкотемпературный отжиг в атмосфере азота не приводит ный отжиг в атмосфере азота нелегированных пленок к желаемому результату из-за разрушения поверхности приводил к падению интенсивности примесной люмипленки и испарению азота из нитрида галлия [7,8]. Тренесценции и росту экситонной. Это, по мнению автобуется увеличение эффективного давления атомарного ров, свидетельствовало об улучшении кристалличности и азота над пленкой GaN при одновременном снижении морфологии пленок в процессе отжига при одноврементемпературы отжига для уменьшения испарения азота.

нном изменении их стехиометрии. В работе [8] отжиг в Это возможно при отжиге пленок в плазме азота, где тех же условиях, напротив, ухудшал морфологию пленок доля атомарного азота существенно выше.

и проводил к возрастанию интенсивности всех полос Отжиг такого рода позволил бы не только уменьшить свечения.

число собственных донорных дефектов, дающих голубое В данной работе нас интересовало влияние отжига при свечение, но и повлиять на проводимость пленки. Дело разных температурах в плазме азота на активацию p-типа в том, что легирование нитрида галлия в процессе роста проводимости и спектры свечения (а также фотопровоакцепторными примесями (Mg или Zn) из-за эффекта димости) легированных пленок GaN : Zn. Использование компенсации приводит к формированию высокоомного плазмы азота дает возможность максимально изменять материала. Лишь использование облучения электронстехиометрию пленки в сторону избытка азота и улучшать ее кристаллическую структуру при сравнительно E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru небольших температурах отжига.

150 А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев, У.А. Аминов, М.О. Воробьев, И.И. Ходос Методика эксперимента В нашей работе исследовались пленки GaN : Zn n-типа проводимости с концентрацией электронов 5 1014 см-3, удельным сопротивлением 106 Омсм и толщиной 1 мкм.

Холловские измерения показали на неотожженных пленках подвижность носителей 100-150 см2/В с. Данные пленки были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на сапфировых подложках ориентации (0001).

Отжиг пленок в течение 2 ч при температурах в интервале Ta = 300-700C в плазме азота осуществлялся в установке радикал-лучевой эпитаксии, подобно описанной в работе [10]. Полученная здесь за счет высокочастотного поля плазма азота проходила через сильное постоянное магнитное поле для удаления ионной компоненты плазмы. Таким образом, отжиг производился в атмосфере нейтральных атомов (радикалов) азота.

Для возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) использовался импульсный азотный лазер ИЛГИ-503 с длиной волны излучения 337.1 нм и длительностью импульса 10 нс. Спектры анализировались с помощью двойного монохроматора МДР-6, управляемого компьютером, что давало при используемых щелях спектральное разрешение не хуже 1 мэВ. При измерениях фотопроводимости (ФП) на пленку наносились планарные контакты из золота. Омичность контактов проверялась по измерениям прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики. ФП возбуждалась светом галогеновой лампы мощностью 100 Вт, модулированным абтюратором и пропущенным через светосильный монохроматор МДР-12. Образцы находились в оптическом криостате при температуре жидкого азота.

При исследованиях влияния отжигов на кристалличность и морфологию поверхности пленок GaN : Zn использовался электронный просвечивающий микроскоп Джеол-2000.

Результаты эксперимента На рис. 1 показано влияние отжига в плазме азота на спектры фотолюминесценции пленок. Видно, что при малых температурах отжига (рис. 1, a) не происходит существенных изменений формы спектра свечения. Преобладающим остается синее излучение с максимумом при энергии = 2.88 эВ и экситонное свечение с Рис. 1. Спектры фотолюминесценции пленок GaN : Zn и максимумом при = 3.48 эВ. Можно лишь отмеGaN : Mg. a Ч исходные пленки GaN : Zn (1) и отожжентить незначительный рост интенсивности синей полосы ные в плазме азота при температурах 400 (2) и 500C (3).

и уменьшение ее полуширины вплоть до температуры b Ч пленки GaN : Zn, отожженные в плазме азота при темпеотжига Ta = 600C. Дальнейшее повышение температурах 600 (4), 700C (5) и пленка GaN : Mg (6). Температура ратуры отжига пленок вызывает резкое падение как измерения T = 80 K.

синего, так и экситонного свечения нитрида галлия.

При этом появляется новая ультрафиолетовая полоса люминесценции с максимумом = 3.27 эВ (рис. 1, b, кривая 5). Кроме того, спектр ФЛ отожженных при Наши исследования показывают существенное влия700C пленок содержит плечо в области экситонного ние плазмы азота не только на люминесцентные, но свечения с максимумом = 3.45 эВ. и на фотоэлектрические свойства пленок. В таблице Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Краевая ультрафиолетовая люминесценция активированных в плазме азота пленок GaN : Zn центров. Однако в данном случае идет не традиционный разрыв связей между цинком и водородом [5], неизбежно присутствующим в материале при осаждении пленок с использованием металлорганических соединений. В наших пленках, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, не было избыточного водорода. Исследования примесной фотопроводимости говорят об изменении состава собственных и примесных дефектов нитрида галлия. Даже низкотемпературные отжиги (рис. 2, a) существенным образом изменяют кривые ФП. Отметим появление интенсивного пика примесной фотопроводимости с максимумом при = 2.0 эВ в результате отжига при 400C. Самый высокотемпературный отжиг (700C) дает, кроме того, увеличение фоточувствительности пленок в ультрафиолетовой области при = 3.26 эВ почти на порядок величины (рис. 2, b, кривая 5).

Полученные спектральные зависимости фотолюминесценции и фотопроводимости свидетельствуют об изменении состава точечных дефектов в пленках в процессе Рис. 2. Спектры фотопроводимости пленок GaN : Zn.

a Ч исходные пленки (1) и отожженные в плазме азота при температурах 400 (2) и 500C (3). b Ч пленки GaN : Zn, отожженные в плазме азота при температурах 600 (4) и 700C (5). Температура измерения T = 300 K.

приведены результаты измерения удельного сопротивления () пленок после отжига. Наблюдается увеличение удельного сопротивления с ростом температуры отжига.

При этом все пленки по данным измерения термоэдс соРис. 3. Изображение поверхности неотожженных (a) и храняли электронный тип проводимости. Следовательно, отожженных (b) при 700C в плазме пленок GaN : Zn, полув процессе отжига происходит активация акцепторных ченное в режиме регистрации вторичных электронов.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 152 А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев, У.А. Аминов, М.О. Воробьев, И.И. Ходос Зависимость удельного сопротивления пленок GaN : Zn от температуры отжига в плазме азота № 1 2 3 4 5 образца Ta,C (исходный) 300 400 500 600, Ом см 106 1.3 106 2 106 2.3 106 4.3 106 17.8 их отжига в плазме азота. Однако в процессе отжига При росте температуры отжига происходит развал может изменяться и морфология поверхности пленок. донорно-акцепторных пар (ДАП) с участием вакансий Для проверки этого явления мы наблюдали картину азота и увеличение их коэффициента диффузии. Учитыповерхности пленок в электронном сканирующем ми- вая, что плазма азота дает максимальное из всех возможкроскопе (рис. 3) до и после отжига. Видно, что до ных парциальное давление азота на поверхности пленки, отжига пленки GaN : Zn имели гладкую поверхность с можно предположить, что вакансии азота при выходе выступающими гладкими зернами размером 10-20 мкм.

на поверхность замещаются атомами азота. Практически Шероховатость поверхности была 1 нм. После вы- только при отжиге в этих условиях стехиометрия нитрисокотемпературного отжига в плазме азота при 700C да галлия может смещаться в сторону избытка азота.

поверхность пленки начинает портиться за счет реис- Число вакансий азота начинает уменьшаться, вместе с парения материала (рис. 3, b). Из рис. 3, b хорошо этим уменьшается число донорно-акцепторных пар и видны латеральные размеры образующихся островков интенсивность голубого свечения = 2.88 эВ. Вместе нитрида галлия Ч от 100 до 500 нм. Режим модуляции с тем появляется новое ультрафиолетовое свечение с и сканирование поверхности под различными углами по- максимумом = 3.27 эВ (рис. 1, b, кривая 5). В формизволяют найти шероховатость отожженных пленок, она ровании соответствующих центров свечения, очевидно, составляет 5-10 нм. Таким образом, отжиг при большой может участвовать освобожденная после развала комтемпературе приводит к образованию на поверхности плексов цинкЦводород и ДАП цинк - вакансия азота пленки мелкозернистой островковой структуры. Однако (центры синего свечения) примесь цинка.

из-за относительно невысокой температуры (700C) увеИзолированный дефект Ч цинк на месте галлия дает личение шероховатости существенно ниже, чем в слуакцепторный уровень, расположенный вблизи валентной чае кратковременного высокотемпературного отжига [8].

зоны. Поэтому ультрафиолетовая краевая полоса люмиВ нашем случае поверхность пленки остается оптически несценции с максимумом = 3.27 эВ может быть гладкой и не приводит к увеличению внешнего выхода обусловлена переходами электронов из зоны проводилюминесценции, что особенно важно при создании волмости на акцепторный уровень цинка. По аналогии с новодных резонаторных структур полупроводниковых широкозонным соединением CdS, имеющим также гексалазеров.

гональную кристаллическую решетку, околозонная краевая люминесценция может быть обусловлена не только изолированными акцепторами, но и их комплексами с Обсуждение результатов собственными дефектами, когда последние расположены в соседних узлах кристалла [12]. Учитывая, что уровень Полученные результаты свидетельствуют, что отжиг в определяет положение максимума свечения, и для того плазме азота пленок GaN : Zn оказывает более сильное чтобы доказать участие именно примеси цинка в ульвлияние на состав точечных дефектов, чем отжиг в трафиолетовом свечении пленок CaN : Zn, мы проделавакууме или в парах азота. Ранее [11] в пленках GaN : Zn ли аналогичный отжиг в плазме азота пленок нитрида наблюдали лишь синюю люминесценцию с максимумом галлия, легированного другой акцепторной примесью Ч = 2.88 эВ, интенсивность которой увеличивалась GaN : Mg. Из рис. 1, b (кривая 6) хорошо видно, что после кратковременного высокотемпературного отжига.

в последнем случае в спектре люминесценции также Свечение обусловлено рекомбинацией носителей внутри преобладает ультрафиолетовое краевое свечение. Однадонорно-акцепторной пары, донором в которой является ко в этом случае максимум ультрафиолетовой полосы вакансия азота. Что касается акцептора в этой паре, то имеет другое положение Ч 3.24 эВ, а ее полуширина им может служить как примесь цинка, так и собственный дефект. Именно благодаря многообразию типов акцепто- существенно больше.

ров и различным расстояниям между донором и акце- Следовательно, положение полосы краевого ультрафипторами в паре голубое свечение нитрида галлия имеет олетового свечения зависит от типа внедренной примеси, вид неоднородно уширенной полосы [5]. Ширина данной т. е. акцепторный уровень непосредственно участвует в линии и положение максимума, как правило, зависит рекомбинации электронов. Здесь можно отметить, что от условий роста пленок, а в наших исследованиях ранее авторы [9] связали ультрафиолетовый пик 3.285 эВ (рис. 1) Ч от температуры отжига, так как от этого (T = 5K) краевой люминесценции сильно легированзависит состав точечных дефектов полупроводника. ных пленок GaN : Mg (6 1019 см-3) с излучательным Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Краевая ультрафиолетовая люминесценция активированных в плазме азота пленок GaN : Zn переходом электронов из зоны проводимости на уровень ных структур на основе сильно легированного акцептоизолированного магния. В нашем случае механизм ре- рами нитрида галлия.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам