Особенности катодолюминесценции полупроводниковых структур на основе AlInGaN

• Автор: Кузнецова, Яна Вениаминовна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 79 с. : 60 ил.

Оглавление
Введение

Г лава 1. Обзор литературы

§1.1 Общие свойства нитридов III группы

Кристаллическая решетка

Поляризация и пьезоэлектрические поля

Изучение пьезоэлектрических полей

§ 1.2 Фазовый распад и релаксация напряжений в 1п-содержащих нитридах III группы

Особенности фазового распада в соединениях 1п(СаА1)Ы

Оптические свойства 1пваЫ

Методы определения состава и влияния фазового распада наноразмерных слоев 1пОаИ

§1.3 Влияние стационарного облучения электронным пучком на люминесценцию Ш-И
Роль поверхностных состояний
Влияние ловушек на изменение интенсивности люминесценции в полупроводниках
Изменение интенсивности люминесценции при непрерывном облучении

Выводы к главе
Глава 2. Экспериментальные методы и методики
§2.1 Экспериментальные методы
Явления в твердом теле при облучении электронным пучком
Экспериментальная установка
§2.2 Определение состава тонких неоднородных слоев и квантовых ям 45 Определение состава тонких слоев
Определение состава тонких слоев на глубине
Точность определения состава тонких слоев
Определение состава одиночной квантовой ямы
Определение состава множественных квантовых ям
Определение состава слоя квантовых точек
§2.3 Анализ КЛ данных с различной глубины
Катодолюминесценция
Распределение функции генерации катодолюминесценции по глубине

Плотность возбуждения и концентрация неосновных носителей заряда

Определение области транспорта носителей заряда
§2.4 Факторы, влияющие на уменьшение интенсивности люминесценции 68 Нагрев образца
Остаточное давление в вакуумной камере
Изменение поглощенного тока при непрерывном облучении электронным пучком
Выводы к главе

Глава 3. Влияние толщины слоя и фазового распада на люминесцентные свойства слоев и гетероструктур 1п(АЮа)Ы
§3.1 Определение однородности состава тонких слоев
Исследуемые слои
Приповерхностное 1п-обогащение в слоях 1пОаЫ
§3.2 Влияние степени релаксации напряжений и фазового распада на КЛ свойства тонких слоев 1пОаЫ
Слои с малым содержанием 1п (х ~ 0.1) различной толщины
Слои со средним содержанием 1п (х ~ 0.25) различной толщины 85 Природа градиента концентрации индия в ростовом направлении 87 Влияние фазового распада на КЛ свойства слоев 1пСаЫ
§3.3 Влияние фазового распада на спектры катодолюминесценции в светодиодных и лазерных гетероструктурах
Влияние фазового распада и флуктуаций состава квантовой ямы на спектры КЛ
Спектры КЛ в структурах с различными электрическими полями 97 Выводы к главе
Глава 4. Медленное изменение люминесценции нитридов при непрерывном облучении электронным пучком
§4.1 Объемные слои
Исследуемые образцы
Наблюдаемое явление - общие характеристики
§4.2 Гетероструктуры
Исследуемые образцы
Транспорт носителей заряда в структурах
Корреляция между транспортными свойствами гетероструктур и временными зависимостями КЛ
§4.3 Природа явления разгорания люминесценции и эффект памяти
Природа эффекта
Эффект памяти и влияние пьезополей
Оценка концентрации ловушек
Обратимость явления и возможность восстановления исходных люминесцентных свойств
Модель явления
Выводы к главе
Выводы и заключение
Благодарности
Список публикаций по теме диссертации
Список цитируемой литературы

Введение
Широкозонные полупроводниковые нитриды третьей группы (III-N) с прямыми оптическими переходами являются ключевым материалом современной оптоэлектроники. Возможность регулирования ширины запрещенной зоны соединений III-N от 6.20 эВ для A1N до 3.49 эВ и 0.65 эВ для GaN и InN, соответственно, дает уникальный шанс реализации единой технологии изготовления приборов, работающих в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой (210 нм) до инфракрасной (1700 нм) областей спектра [1]. Дополнительным достоинством этих материалов является их высокая химическая стойкость. На сегодняшний день уже широко применяются различные оптоэлектронные приборы на основе III-N соединений, включая светодиоды, работающие как источники белого света для бытового и уличного освещения, полноцветные дисплеи, инжекционные лазеры для хранения информации, медицинских приложений, связи и т.д. Кроме того, на основе этих материалов уже выпускаются высокомощные и высокочастотные транзисторы, диоды и фотодетекторы с уникальными параметрами.
Однако, несмотря на беспрецедентно быстрое развитие технологий III-N и достигнутые за последние 20 лет успехи в создании различных приборов, ряд проблем в этой области остается нерешенным. Эти трудности в первую очередь связаны со значительным различием в параметрах решетки GaN-lnN-AlN и отсутствием коммерчески доступных гомоэпитаксиальных подложек. Необходимость гетероэпитаксиального роста на подложках сапфира, карбида кремния и др., рассогласующихся по параметру решетки и отличающихся по температурным коэффициентам расширения по сравнению с III-N, приводит к высокой плотности дислокаций в растущих слоях (~108см~2 и выше), возникновению механических напряжений и изгибу растущего слоя, вплоть до растрескивания структуры. Различие длин связей в кристаллической решетке тройных и четверных соединений может приводить к термодинамической нестабильности твердого раствора в отношении спинодального фазового распада, образованию флуктуаций состава, атомарному упорядочению и др. Вследствие различных энергий связи в системе материалов GaN-AlN-InN рост тройных и

где V - объем возбуждения, 1(1) - кривая нарастания интенсивности
люминесценции, I*, - стационарное
значение интенсивности, р - квантовая эффективность излучательной
рекомбинации.
При повышении температуры ловушки могут опустошаться путем термической активации. В этом случае кинетика заполнения ловушек становится более сложной. В простейшем же случае в принципе площадь между кривой нарастания люминесценции и стационарным значением интенсивности, экстраполированным к 1 = 0, пропорционально концентрации ловушек.
В работе [99] была предложена модель, описывающая изменение заселенности ловушечного уровня:

«з = + р ~ гсрИМ + РгУ) (1-2)
где Пз - заселенность ловушечного уровня, Ьз - эффективность захвата ловушечного уровня, п0з — количество незаселенных ловушечных уровней, N3 - количество ловушечных уровней, Р3 - вероятность перехода с ловушечного уровня на излучательный в результате термической активации, 1 - плотность возбуждения. Из полученной формулы следует вывод, что заселенность п3 нарастает от времени, причем скорость нарастания зависит от тока электронного пучка и температуры образца, и, соответственно, от соотношения величин Рз и Ь31.
Изменение интенсивности люминесценции при непрерывном облучении Существует несколько работ, связанных с изучением стабильности люминесценции слоев и гетероструктур на основе Ш-Ы под воздействием длительного облучения электронным или лазерным пучком. Остановимся детально на условиях эксперимента и трактовке результатов.
В основном исследовались объемные слои СаИ [100, 101, 102, 103, 104], но также
есть и работы по изучению квантовых ям [105] и точек [106] СаМ/АЮаЫ, квантовых

Время
Рисунок 18. Кривая нарастания люминесценции при наличии ловушек (из работы [98]). Заштрихованная область пропорциональна количеству ловушек.