ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 84-88
УДК 539.25:620.187
ИЗМЕРЕНИЕ ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ И ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ
СВОБОДНЫХ ЭКСИТОНОВ В НИТРИДЕ ГАЛЛИЯ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ МЕТОДОМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
© 2015 г. Н. А. Никифорова1, *, М. А. Степович1, 2, Н. Н. Михеев3, M. Hocker4, I. Tischer4
1Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского, 248023 Калуга, Россия 2Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, Ивановский филиал, 153025Иваново, Россия 3 Филиал Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН Научно-исследовательский центр "Космическоематериаловедение", 248640Калуга, Россия 4 Institute of Quantum Matter/Semiconductor Physics Group, University Ulm, • -89069• Ulm, Germany
*Е-таИ: nikiforova.nadya@gmail.com Поступила в редакцию 19.12.2014 г.
На примере монокристаллического n-GaN рассмотрены некоторые возможности методики количественной катодолюминесценции прямозонных материалов, основанной на использовании зависимости интенсивности катодолюминесценции от энергии электронов пучка при постоянном уровне генерации электронно-дырочных пар. С помощью данной методики получены оценки величины диффузионной длины, времени жизни свободных экситонов и спектральной зависимости коэффициента самопоглощения рекомбинационного излучения.
Ключевые слова: нитрид галлия, катодолюминесценции, диффузионная длина свободных экситонов, время жизни свободных экситонов, коэффициент самопоглощения рекомбинационного излучения.
DOI: 10.7868/S0207352815080119
ВВЕДЕНИЕ
Диагностика электрофизических параметров является важным направлением в катодолюминес-центных (КЛ) исследованиях полупроводниковых материалов, позволяющих эффективно определять возможности практического использования этих материалов в опто- и микроэлектронике. В работах [1—4] показано, что некоторые электрофизические параметры прямозонных полупроводников могут быть найдены из зависимости интенсивности КЛ от энергии первичных электронов растрового электронного микроскопа (РЭМ), при этом реализовался постоянный уровень генерации неосновных носителей заряда (ННЗ).
В настоящей работе рассматриваются возможности и некоторые проблемы применения разработанной нами методики расчета диффузионной длины и времени жизни свободных экситонов в ОаМ по зависимости интенсивности КЛ от энергии широкого электронного пучка при постоянном уровне генерации экситонов. Ранее данная методика была успешно использована на ряде прямозонных полупроводниковых соединений А3В5 и А2В6 при исследовании КЛ-излучения, в том числе связанного с примесной рекомбинацией неравновесных носителей заряда, и подробно изложена в работах [4—12]. Актуальность настоящего исследования определяется немногочисленными данными по определению электрофизических параметров ОаМ из анали-
за зависимости интенсивности КЛ от энергии электронов пучка, несмотря на большое количество работ, посвященных исследованиям свойств данного материала.
ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ
Исследовался нелегированный монокристаллический ОаМ я-типа проводимости с концентрацией фоновой примеси порядка 1016 см-3, выращенный методом гидридной газофазной эпитаксии (ИУРБ). Экспериментальная регистрация спектров КЛ-излучения проводилась на модифицированной установке серийного растрового электронного микроскопа, позволяющей в широком диапазоне температур образца регистрировать сигнал интегральной катодолюминесценции или спектральный состав КЛ-сигнала с высоким разрешением, а также контролировать ток и ускоряющее напряжение пучка электронов [13]. В качестве альтернативного источника тока была использована электронная пушка (ЯНЕЕО^ип), позволяющая достигать гораздо более высоких значений токов (до 50 нА), но с гораздо более низкой плотностью возбуждения [14].
Были выполнены серии измерений на модифицированном растровом электронном микроскопе при температуре 10 К в диапазоне энергий Е0
первичных электронов пучка от 3 до 13 кэВ и серии измерений при комнатной температуре в диапазоне энергий Е0 от 3 до 11 кэВ, выполненных с помощью ЯИЕЕЭ^ип. Поскольку используемый в эксперименте растровый электронный микроскоп не позволял поддерживать постоянный уровень генерации экситонов при всех значениях ускоряющего напряжения, величина тока пучка электронов в каждом измерении корректировалась таким образом, чтобы мощность О источника свободных экситонов (число ННЗ, генерируемых в единицу времени):
О = Ео [1 -п (1 - г-ф)]/48, оставалась постоянной. Здесь I — ток пучка, Е0 — энергия электронов пучка, п — коэффициент обратного рассеяния первичных электронов, Z — средний атомный номер образца, q — заряд электрона, е — энергия образования одной электронно-дырочной пары.
Выбор сравнительно низких значений энергии электронов обусловлен желанием уменьшить влияние самопоглощения излучения на регистрируемый сигнал КЛ (коэффициент самопоглощения а « (3—6) х 105 см-1 [15]) и снизить возможный вклад примесной рекомбинации в исследуемой приповерхностной области, обедненной основными носителями заряда [16], а также отсутствием сигнала КЛ ниже 3 кэВ для РЭМ и невозможностью поддержания постоянного уровня мощности О источника выше 11 кэВ для КЛ-изме-рений, выполненных с помощью ЯИЕЕЭ-§ип.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для обработки экспериментальных данных применяли методику, основанную на изучении зависимости интенсивности КЛ-излучения от энергии электронов пучка. Ранее в работах [3, 9] было получено решение прямой задачи по описанию зависимости интенсивности КЛ в полупроводнике с известными электрофизическими параметрами от величины энергии пучка электронов РЭМ для методики, впервые предложенной в работе [1]. В работах [6-8, 10, 11] этот подход был использован для измерения важных параметров ряда полупроводниковых материалов и структур оптоэлектроники: диффузионных длин Ь ННЗ, времени жизни т ННЗ, скорости поверхностной рекомбинации Б ННЗ, спектральной зависимости коэффициента поглощения а(^) краевого излучения в прямозонных полупроводниках.
Остановимся на узловых моментах применения данной методики. Это типичный пример решения обратной задачи, когда искомые электрофизические параметры полупроводников устанавливаются из результатов сравнения расчетных и экспериментальных зависимостей интенсивности катодолю-
минесценции /КЛ (Е0, Ь, Б, а) от энергии электронов зонда для конкретных значений ряда параметров: диффузионной длины, приведенной скорости поверхностной рекомбинации, коэффициента самопоглощения излучения. Методика имеет две отличительные особенности. Первая особенность -определение диффузионной длины именно тех ННЗ, которые участвуют в формировании катодо-люминесценции конкретного канала излучатель-ной рекомбинации в полупроводнике. В нашем случае - это рекомбинация свободных экситонов в отличие от метода наведенного тока в цепи корот-козамкнутого диода [17], в котором этот параметр определяется одновременным действием всех каналов рекомбинации, а в действительности - самым короткоживущим. Вторая особенность методики заключается в учете влияния поверхности на генерируемые ННЗ через обобщенный параметр области генерации — его центр тяжести т., введение которого позволяет описать 1КЛ в условиях, когда по мере увеличения энергии Е0 линейные размеры области генерации ННЗ превышают величину Ь и стандартная модель независимых источников становится неприменимой [9]:
да /да
£ с = / | (1)
о /о
где р(т) — распределение плотности генерированных ННЗ по глубине образца.
Учитывая соотношение (1), выражение для интенсивности КЛ в одномерном приближении (широкий электронный пучок) имеет вид:
iкл(Е о) ~ (1 - ехР (- у)) ехр (-а £ с). (2)
Здесь Б = u¡L/D — приведенная скорость поверхностной рекомбинации ННЗ (и8 — скорость поверхностной рекомбинации ННЗ, диффундирующих к области, обедненной основными носителями; D — коэффициент диффузии) [18], тс — центр тяжести области генерации, Ь — диффузионная длина ННЗ, а — коэффициент поглощения излучения.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ полученных спектров КЛ-излучения показал, что и при низкой гелиевой температуре, и при комнатной температуре доминировало КЛ-излучение, связанное с рекомбинацией свободных экситонов [19]. Для низколегированного я-ОаМ с концентрацией доноров порядка 8 х 1015 см—3 максимальное значение напряженности электрического поля вблизи поверхности образца ОаМ составляет 5 х 103 В/см, что недостаточно для распадения экситона даже при комнатной температуре. На рис. 1а изображен спектр КЛ, полученный при исследовании образца ОаМ при комнатной температуре и энергии электро-
86
НИКИФОРОВА и др.
(а)
(б)
3.35
3.40 3.45 Энергия, эВ
3.50
1.0
0.8
д
е н.
н о
§ 0.6
§
§ 0.4
<ч
и
о
н
£ 0.2 н И
0
3.2
- ХА.Л ХВ
— Е±с : - ; 11
_ ХА,В-1ЬО,<7 1 / / / \хе I \
1 / ,1 1 ' \ " ;'ХВ-1ЬО\ ;/в \\ Т = 290 К • / 1 \ I / ч
1 / Ха,В—2ЬО,4 | | 1 \ \\
3.3 3.4 3.5 Энергия, эВ
3.6
Рис. 1. Спектры образцов Оа№ а — спектр КЛ, полученный при исследовании образца ОаК при комнатной температуре и ускоряющем напряжении 7 кВ; б — спектр фотолюминесценции образца ОаК, приведенный в работе [19].
нов пучка 7 кэВ. Для сравнения на рис. 1б показан спектр фотолюминесценции образца ОаМ, приведенный в работе [19].
На основе данных, полученных при температуре 10 К, для нахождения величины гс были проведены расчеты зависимости функции плотности распределения свободных экситонов р(г), генерированных в образце ОаМ, по глубине г при нормальном падении пучка с энергией в диапазоне от 3 до 13 кэВ. Расчеты функции плотности распределения свободных экситонов проводились в рамках модели работы [20] по следующей формуле: ( _ Л
р(г)
Ау (1 -П)
0.5
п
ехр
( - г р )
1.08511
+———! ехр
гр (р + к р - г^
+
0.5
п
Ау (1 -п)
(г - Zss)
гр < г,
2 Л
0.5
п г
ехр
р
1.085п
п
(
( - гр) гр (р + кг).
(3)
+
г > г р
(г - Zss)
2
V J
Здесь Лм — нормировочный множитель, п — коэффициент обратного рассеяния электронов пучка, к = 0.6 [20] — коэффициент, учитывающи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.