Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 10 Фотолюминесценция GaN: зависимость от интенсивности возбуждения й В.Н. Бессолов, В.В. Евстропов, М.Е. Компан, М.В. Меш Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 4 декабря 2001 г. Принята к печати 9 апреля 2002 г.) Исследована зависимость интенсивности краевой фотолюминесценции GaN (0001), выращенного методом газофазной гидридно-хлоридной эпитаксии (HVPE), от интенсивности возбуждения. Особенностью является сильная сверхлинейность при малых уровнях возбуждения, а именно сверхквадратичность. При больших уровнях возбуждения зависимость близка к линейной. Предложена модель, объясняющая обнаруженную сверхквадратичность и основанная на идентичности рекомбинационных процессов в приповерхностном слое объемного заряда при оптическом возбуждении и в слое объемного заряда барьера Шоттки или p-n-перехода при прохождении тока. Сверхквадратичная зависимость получена аналитически в предположении, что безызлучательный канал обусловлен многопрыжковым туннелированием вдоль дислокации, представляющей цепочку центров локализации носителей и пересекающей область объемного заряда. Наблюдалась степенная экспериментальная зависимость интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждения. Оценен такой параметр дислокации, как расстояние между соседними центрами локализации ( 4.1нм), т. е. период потенциала вдоль дислокации.

1. Эпитаксиальные слои нитрида галлия играют все 2. Для исследований были выбраны образцы с отнобольшую роль в создании приборов коротковолновой сительно интенсивной люминесценцией. Это позволило оптоэлектроники. Квантовый выход люминесценции эпи- исследовать люкс-ваттные характеристики в диапазоне интенсивностей люминесценции до трех десятичных таксиальных слоев связан с качеством слоя, в том числе через соотношение интенсивностей излучатель- порядков. Исследованные слои GaN были выращены методом HVPE. Слой GaN на сапфировой подложке ной и безызлучательной рекомбинации носителей заряимел толщину более 100 мкм и концентрацию электрода, однако механизмы безызлучательной рекомбинации нов nn = 5 1018 см-3; слой GaN на подложке 6H-SiC в эпитаксиальных слоях GaN, выращенных разными был толщиной 3 мкм и имел концентрацию электронов методами (газофазной эпитаксии из металлорганических nn = 5 1017 см-3.

соединений ЧMOCVD, молекулярно-лучевой эпитакФотолюминесценция возбуждалась импульсным азотсии Ч MBE, газофазной гидридно-хлоридной эпитакным лазером (длина волны излучения = 337 нм, длисии Ч HVPE), до сих пор не ясны.

тельность импульса 6 нс). Возбуждение и регистрация Одним из факторов, влияющих на качество эпитаклюминесцентного излучения осуществлялись со сторосиальных слоев, является рассогласование параметров ны свободной поверхности слоев. Измерения проводирешетки эпитаксиального вюрцитного слоя GaN и подлись при комнатной температуре. Предметом интереложки 6H-SiC ( 4%), Al2O3 ( 15%), Si ( 22%). Это са была зависимость интенсивности фотолюминесценприводит к образованию высокой плотности дислокаций ции ( ) от интенсивности фотовозбуждения (I).

несоответствия в слоях GaN при гетероэпитаксии. ИзИзмерение зависимостей (I) в нашем случае предвестно также, что плотность дислокаций несоответствия ставляло определенную методическую трудность, поувеличивается с ростом рассогласования параметров скольку для наносекундных импульсов ультрафиолеторешетки слоя и подложки и уменьшается с увеличением вого диапазона отсутствуют стандартные фотоприемнитолщины эпитаксиального слоя. В частности, эпитаксия ки с достаточной линейностью в широком диапазоне GaN на сапфировой подложке (Al2O3) методом HVPE интенсивностей. В работе применялся такой методипозволяет получать слои толщиной более 100 мкм, в коческий прием, как одновременная регистрация полосы торых плотность дислокаций несоответствия на поверхлюминесценции и линии возбуждения в одном масности слоя на порядок меньше, чем на гетерогранице [1].

штабе. Для этого на вход монохроматора направлялась Отметим, что обычно при изучении люминесценции часть возбуждающего излучения и его интенсивность основное внимание уделяется спектральным характерипредварительно ослаблялась регулируемым ослабителем стикам рекомбинационного излучения. Однако в слуна эту длину волны до нужной величины. Семейчаях, когда полосы в спектрах широки и бесструктурство спектров люминесценции регистрировалось при ны, изучение формы полос малоинформативно. Цель изменении интенсивности возбуждения (в диапазоне данной работы Ч исследовать безызлучательный канал 0.01-7Вт/см2) известными нейтральными фильтрами рекомбинации по характеру зависимости интенсивности и сетками. В результате соотношение интенсивностей люминесценции от интенсивности возбуждающего излу- возбуждающего и люминесцентного излучения каждый чения. раз регистрировались одним приемником при одних 1208 В.Н. Бессолов, В.В. Евстропов, М.Е. Компан, М.В. Меш единой простой формулой, учитывающей наличие двух участков (рис. 2), m1 mI = k1 + k2, (1) где параметры аппроксимации для слоя GaN на сапфире Ч m1 = 1.1, m2 = 0.3, k1 = 0.4, k2 = 1.3, а для слоя GaN на SiC Ч m1 = 1.0, m2 = 0.3, k1 = 0.4, k2 = 6.6.

Видно, что верхние участки практически не различаются (m1 и k1 почти одинаковы для обоих образцов).

Различие зависимостей для двух образцов проявляется только на нижнем сверхлинейном участке в величине коэффициента k2. Переход от сверхлинейного участка к практически линейному для слоев на сапфировой подложке происходит при меньшем уровне возбуждения, чем для слоев GaN на SiC (рис. 2).

4. Сверхлинейные зависимости интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждения для слоев нитрида галлия наблюдались и ранее. Так, например, катодолюминесцентные исследования GaN толщиной 2 мкм, выращенного методом MOCVD на сапфировой подложке, показали, что интенсивность краевой люминесценции возрастает с уровнем возбуждения по степенному закону In с показателем степени n = 2 [2]. Нам неизвестны случаи наблюдения зависимости с показателем степени n > 2.

При обсуждении результатов работы будем использовать аналогию между люминесценцией при оптической накачке в приповерхностной области объемного заряда Рис. 1. Спектры фотолюминесценции слоев GaN, выращенных и люминесценцией при токовой накачке в области на подложках из сапфира (a) и карбида кремния (b).

объемного заряда p-n-перехода. Приведем необходимые для этого данные. При энергии фотонов возбуждающего света (h = 3.68 эВ) глубина поглощения света в GaN составляет 0.1 мкм. Ширина области объемного заряда и тех же условиях. При таком методическом приеме W в нашем случае не менее 0.05 мкм, а диффузионминимизировалось возможное влияние нелинейности ная длина неосновных носителей заряда 0.5мкм [3].

приемника на получаемые данные.

3. На исследованных образцах наблюдались обычные для нитрида галлия спектры люминесценции. Энергия фотонов, соответствующая максимуму спектра фотолюминесценции, для обоих слоев GaN была h = 3.397 эВ.

Ширина спектра на полувысоте (FWHM) для слоя GaN/сапфир заметно больше, чем для слоя GaN/SiC (рис. 1), что, по-видимому, вызвано наличием не только межзонной, но и донорно-акцепторной рекомбинации и согласуется с более высоким уровнем легирования слоя GaN на сапфире.

Для обоих слоев зависимость интенсивностей люминесценции от интенсивности возбуждающего излучения сверхлинейна при малых уровнях возбуждения и может быть описана степенной зависимостью In, где n 3.3. При больших уровнях возбуждения эта зависимость близка к линейной: n = 1.0 для слоев на SiC и n = 0.9 для слоев на сапфире. В этом случае Рис. 2. Экспериментальные зависимости интенсивности люнебольшая сублинейность характеристики (I) для слоя минесценции от интенсивности возбуждения для слоев GaN GaN на сапфире, по-видимому, обусловлена вкладом на сапфире и GaN на SiC (точки). Штриховые линии Ч донорно-акцепторной рекомбинации. Связь между ин- аппроксимация по формуле (1), сплошные линии Ч асимптоты тенсивностями и I может быть аппроксимирована аппроксимирующх кривых.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Фотолюминесценция GaN: зависимость от интенсивности возбуждения Выведенная зависимость (4) дает искомую характеристику (I), так как прямой ток J эквивалентен интенсивности оптического возбуждения I. Максимальной плотности мощности оптической накачки I = 7Вт/см2 соответствует плотность токовой накачки J = eI/h 2А/см2. Зависимость (4) соответствует экспериментальным характеристикам (I) (1) как для GaN на сапфире, так и для GaN на SiC, если не учитывать вклад донорно-акцепторной рекомбинации, который приводит к небольшой сублинейности на верхнем участке и расширению спектра фотолюминесценции.

Рассмотрим подробно нижние участки характеристик (I). Из сравнения (1) и (4) следует, что Рис. 3. Энергетическая диаграмма приповерхностного участkT/ = m2 = 0.3. Видно, что = nkT, где n = 1/m2 = ка n-полупроводника при поглощении возбуждающего света = 3.3, т. е. n > 2, что свидетельствует в пользу туннельвнутри фоточувствительной области (W + L). Горизонтальные ного механизма рекомбинации. Величина = 82.5мэВ стрелки показывают изоэнергетические туннельные прыжки одинакова для обоих слоев, что предполагает один и тот электрона, вертикальная Ч рекомбинацию электрона и дырки.

же механизм туннелирования.

Согласно хорошо известной модели туннелирования сквозь область объемного заряда [4], зависит от W и, Таким образом, глубина поглощения света оказывается следовательно, от концентрации nn ( 1/W nn).

меньше, чем ширина области собирания носителей заПо модели многопрыжкового туннелирования вдоль дисряда (фоточувствительной области) W + Lp, где Lp Ч локаций, в которой дислокация смоделирована цепочдиффузионная длина дырок.

кой потенциальных ям, разделенных параболическими Возбуждающее излучение уменьшает существующий барьерами, [5] величина определяется только типом в темноте приповерхностный изгиб зон и создает фотодислокации, пересекающей область объемного заряда напряжение Uph, равное разности квазиуровней Ферми и не зависит от концентрации nn. Следовательно, одидля электронов (Fee) и дырок (Fh) (рис. 3). Так как наковость величины для обоих слоев, отличающихся свет целиком поглощается внутри фоточувствительной по концентрации nn, согласуется с моделью туннелирообласти W + Lp, то энергетическая диаграмма припования вдоль дислокации.

верхностной области оказывается точно такой же, как Обсудим этот случай Ч а именно одинаковую велиу барьера Шоттки при прямом смещении. Рекомбинацичину и различие коэффициентов k2. Модель предпоонные процессы в приповерхностной области объемного лагает серию изоэнергетических туннельных прыжков заряда, возникающие при оптической накачке, Ч такие электрона с последующей рекомбинацией (рис. 3). Ток же, как в области объемного заряда барьера Шоттки по дислокационной линии задается частотой последнего и p-n-перехода при прямом смещении. Природа рекомтуннельного прыжка, так как для него барьер наиболее бинационных потоков во всех этих случаях полностью высокий и, следовательно, прозрачность барьера наиодинакова, и поэтому для получения аналитической меньшая. Плотность тока пропорциональна плотности зависимости (I) будем интенсивность оптической надислокаций. Согласно модели [5], величина в формукачки I считать аналогом токовой накачки, т. е. аналогом ле (2) и, следовательно, в (4) связана с параметром r, прямого тока J p-n-перехода. В рассмативаемом случае характеризующим тип дислокации:

эквивалентный прямой ток J состоит из двух компонент Ч термоинжекционной и туннельной:

r =, (5) m J = J01 exp(eUph/kT) +J02 exp(eUph/), (2) где r Ч кривизна параболического барьера на вершине, где >2kT Ч характеристическая энергия туннельной m Ч эффективная масса туннелирующего носителя компоненты. В свою очередь межзонная люминесценция (для электрона m = 0.2m0 [6]). Отсюда можно опреопределяется термоинжекционным процессом и поэтому делить ширину этого барьера d при его высоте, равной ее интенсивность выражается термоинжекционной половине ширины запрещенной зоны:

зависимостью от фотонапряжения Uph:

d =(Eg/r)1/2, (6) = exp(eUph/kT). (3) где Eg Ч ширина запрещенной зоны, Eg = 3.39 эВ [7].

Исключая Uph из (2), с помощью (3) получим связь Значение = 82.5мэВ дает r = 0.03 Дж/м2 = 0.2эВ/нммежду интенсивностью люминесценции и прямым и ширину d = 4.1 нм. Одинаковые значения в обоих током J:

типах слоев свидетельствуют об одинаковом типе дислоkT/ J = p1 + p2, (4) каций, пересекающих область объемного заряда и обусkT/ где pA = J01/, p2 = J02/. ловливающих туннельный механизм рекомбинации.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1210 В.Н. Бессолов, В.В. Евстропов, М.Е. Компан, М.В. Меш Согласно этой модели, для туннельной компоненты [8] S. Koynov, M. Torf, S. Fisher, B.K. Meyer, P. Radojkovic, E. Hartmann, Z. LilientalЦWeber. J. Appl. Phys., 82, тока предэкспоненциальный множитель J02 пропорцио(1997).

нален плотности дислокаций, пересекающих область [9] P.W. Yu, C.S. Park, S.T. Kim. J. Appl. Phys., 89, 1692 (2001).

объемного заряда, J02. Таким образом, из (1) и (4) видно, что k2 p2, что позволяет сравнить плот- Редактор Л.В. Шаронова ность дислокаций у поверхности слоев. Сравнивая параметры k2 в выражении (1), описывающем эксперименGaN photoluminescence: dependence тальные характеристики, получаем, что в нашем случае of the intensity on excitation плотность дислокаций на поверхности слоя GaN/сапфир V.N. Bessolov, V.V. Evstropov, V.E. Kompan, M.V. Mesh меньше (в 5 раз), чем плотность дислокаций в слое GaN/SiC. Это, по-видимому, обусловлено большей толIoffe Physicotechnical Institute, щиной слоя GaN на сапфировой подложке, поскольку Russian Academy of Sciences известно [8], что плотность дислокаций несоответствия 194021 St. Petersburg, Russia на гетерогранице GaN/сапфир больше, чем на гетерогранице GaN/6H-SiC. Такое объяснение согласуется,

Abstract

A new feature has been observed in the dependence например, с известным фактом [9], что от толщины on excitation (I) of the edge photoluminescence intensity ( ) of GaN (0001) grown by HVPE. At low excitation levels the deэпитаксиального слоя GaN может зависеть спектральное pendence is markedly superlinear, namely, quadratic, approaching положение полосы краевой фотолюминесценции.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам