ВНКСФ7: Туркин Андрей Николаевич: Катодолюминесценция гетероструктур на основе нитрида галлия

Катодолюминесценция гетероструктур на основе нитрида галлия

Туркин Андрей Николаевич
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: Юнович Александр Эммануилович, доктор физ.-мат. наук
Соавторы: Улитин Артур Вадимович

Спектры катодолюминесценции (КЛ) пленок GaN и гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN, выращенных методом эпитаксии из металлоорганических соединений, исследованы при 300 и 80 K [1,2]. Люминесценция этих пленок, исследована методами цветной КЛ в растровом электронном микроскопе (РЭМ) [2].

Образцы гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN были выращены методами МОС-гидридной эпитаксии. Исследовались структуры двух типов. Структуры первого типа выращены с промежуточными слоями Al_xGa_1-xN (x ~ 0.1) между базовым GaN и активным InGaN слоями. Два образца структур различались структурой активной области: один имел нелегированный слой InGaN и слои AlGaN толщиной 200 нм, а другой - легированный активный слой n-InGaN:Si и AlGaN слои толщиной100 нм. Структуры второго типа выращены без слоев AlGaN между n-базой и активным слоем InGaN; эти структуры имели более тонкий слой p-AlGaN (80 A) над активным слоем. Два образца этих структур отличались толщиной слоя InGaN: время роста слоя одного образца было 3 мин., а другого - 4 мин.

Цвет КЛ изображений изменяется с синего на желтый при уменьшении уровня возбуждения. Неоднородности излучения коррелируют с дефектными областями [2].

Спектры КЛ показали, что синий цвет n-GaN:Si базы на картинках в РЭМ обусловлен двумя спектральными полосами, коротковолновый край спектра 3.49 эВ соответствует краю запрещенной зоны GaN при комнатной температуре. Максимум ультрафиолетового пика, обусловленный рекомбинацией на доноре Si, сдвигается с температурой от 3.47 эВ (80 K) до 3.36 eV (300 K). Плечо полосы вблизи 3.26 eV может быть объяснено межпримесной рекомбинацией. Желтый цвет, наблюдаемый на картинках в РЭМ при малом уровне возбуждения, соответствует известной широкой полосе вблизи 2.34 эВ, обусловленной дефектами [1,2].

Спектры КЛ образцов первого типа, имеющих отличие в структуре, почти не различались при комнатной температуре. Различие же в свечении и, соответственно, в спектрах КЛ этих образцов при температуре, близкой к температуре жидкого азота, было более существенным. Это позволяет сделать вывод о возможном температурном высвечивании, связанном с различием дефектов в структурах с разным строением и составом. У образцов второго типа наблюдалось различие в спектрах разных частей структуры при комнатной и азотной температурах наличием полосы свечения в точках образца, соответствующих гетероструктуре. Положение максимумов линий различается для разных образцов в зависимости от времени выращивания активной области.

Краевые линии в спектрах КЛ можно рассматривать как рекомбинацию на нейтральном связанном доноре (I₂). Положение максимума этих линий сдвигается при повышении температуры в сторону низких энергий. Этот факт может быть связан с тушением этой линии в пользу линии рекомбинации свободного экситона (A). Отсутствие интенсивной краевой линии в спектре второго образца первого типа в одной части структуры можно объяснить большой концентрацией акцепторов в этой части структуры. Наличие краевой полосы в спектре одной части структуры и отсутствие ее в спектре другой части указывает на неравномерность легирования акцепторами гетероструктуры. Линия с максимумом 3.30 эВ может соответствовать рекомбинации нейтральной донорно-акцепторной пары (D⁰A⁰). Полоса от 2.15 эВ до 2.60 эВ, наблюдаемая во всех образцах при обеих температурах, может соответствовать "желтой полосе" дефектов в GaN [1,2].

Полосы люминесценции, наблюдаемые в точках структуры образцов второго типа можно объяснить рекомбинацией в активной области. Разница в положении максимумов может быть связана с различной ее толщиной для указанных образцов по причине разницы времени выращивания и, следовательно, с различным значением параметров квантовой ямы, плотности состояний и флуктуаций потенциала. Понижение интенсивности при повышении температуры в точке вне структуры может быть вызвано температурным тушением люминесценции. Наличие полосы люминесценции в данной точке у первого образца второго типа можно объяснить, предположительно, большей концентрацией акцепторов Mg в структуре по сравнению со вторым образцом данного типа.

Была установлена корреляция между деталями процесса роста и различными дефектами в структурах. Результаты исследований используются для анализа свойств электролюминесценции (ЭЛ) светодиодов (СД) на основе InGaN/AlGaN/GaN [2].

[1] Туркин А.Н., Чукичев М.В., Тезисы докладов 4-го Всероссийского совещания "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы", Санкт -Петербург, 35-36 (2000).

[2] Обыден С.К., Сапарин Г.В., Иванников П.Г., Чукичев М.В., Туркин А.Н., Юнович А.Э., Leroux M., Dalmasso S., Beaumont B., De Mierry P., Материалы электронной техники, Известия ВУЗов, 4, 29-35 (2000).