ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 9, с. 38-41
УДК 621.382:620.191.4
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СПЕКТРА КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ОБЛУЧЕННЫХ СВЕТОДИОДНЫХ СТРУКТУР С МНОЖЕСТВЕННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ InGaN/GaN
© 2013 г. П. С. Вергелес, Е. Б. Якимов
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка, Московская область, Россия Поступила в редакцию 04.12.2012 г.
Измерены спектры катодолюминесценции необлученных и облученных электронным пучком областей светоизлучающих структур с множественными квантовыми ямами 1пОаМ/ОаМ в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной температуры. Показано, что новая линия излучения с энергией 2.69 эВ появляется в результате облучения в дополнение к исходной линии 2.6 эВ. После облучения также существенно возрастает интенсивность линии, связанной с М^ в
БО1: 10.7868/80207352813090205
ВВЕДЕНИЕ
Методы растровой электронной микроскопии (РЭМ) широко используются для локальной диагностики полупроводниковых материалов и структур на их основе, в том числе и светодиодов с множественными квантовыми ямами (МКЯ) ¡пОа^Оа^ В [1, 2] было показано, что длительное облучение электронным пучком структур с МКЯ 1пОаМ/ОаМ или получение изображения фрагмента исследуемого образца при большом увеличении приводит к существенному изменению спектра катодолюминесценции (КЛ) этих структур. Этот эффект может существенно влиять на результаты исследования таких структур методами РЭМ, особенно при больших увеличениях, что является необходимым условием при характе-ризации объектов с нанометровыми размерами. Механизмы, приводящие к таким изменениям оптических свойств, до сих пор не ясны. Поэтому измерение спектров КЛ таких структур при низких температурах может дать дополнительную информацию для понимания процессов, происходящих в них при облучении электронным пучком.
В настоящей работе приведены результаты измерения спектров КЛ в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной температуры необ-лученных и облученных электронным пучком областей светоизлучающих структур. Исследования КЛ, проведенные при низких температурах, показали, что при появлении в спектре КЛ новой линии люминесценции КЯ после облучения электронным пучком исходная линия сохраняется. Облучение в РЭМ приводит также к росту интенсивности излучения, предположительно связанного с М§ в слое ^-Оа^
МЕТОДИКА
Как и в [1, 2], исследовались светоизлучающие структуры на основе системы с МКЯ ¡пОа^Оа^ выращенные методом химического осаждения из металлорганических соединений (МОСУО) на сапфире с ориентацией (0001). Структуры состояли из нижнего слоя и-ОаМ толщиной порядка 3 мкм, легированного кремнием (^ ~ 5 х 1018 см-3), на котором была выращена сверхрешетка ОаМ/1пОаМ с низким содержанием 1п (<10%). Затем выращивался активный слой, содержащий пять КЯ (3 нм 1пОаМ и 12 нм Оа№). После этого осаждался верхний слой ^+-ОаМ толщиной порядка 0.1 мкм, легированный М§ до концентрации около 1020 см-3.
Омические контакты к ^-области создавались напылением тонких слоев N1 и Аи диаметром 330 мкм с последующим вытравливанием вокруг них мезаструктуры диаметром 430 мкм. Облучение и измерения методом катодолюминесцен-ции проводились на прямоугольной области ме-заструктур, не покрытой металлом, площадью порядка 10 мкм2, сканирование проводилось в телевизионном режиме. При облучении энергия пучка равнялась 10 кэВ, а ток пучка не превышал 10-9 А, что, по-видимому, исключало возможность нагрева образца. Доза облучения равнялась примерно 4 Кл/см2, при которой достигался максимум интегральной интенсивности КЛ в голубой области. Измерения КЛ проводились в РЭМ 18М 6490 (1ЕОЦ), оборудованном системой КЛ Оа1ап MonoCL3 с фотоумножителем Нашаша18и в качестве детектора. Измерение спектров КЛ проводилось в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной при энергии пучка 10 кэВ и токе пучка порядка 10-10 А.
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СПЕКТРА КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
39
I, отн. ед. 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0
-100000
2.6 эВ 6
2.5 эВ
95 К • 147 К
290 К
3.3 эВ
ь
3.49 эВ
2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6
Е, эВ
Рис. 1. Спектры излучения КЛ структуры с пятью КЯ, полученные в необлученной области при нескольких температурах.
I, отн. ед. 500000
400000 300000 200000 100000 0
2.77 эВ
I
2.6 эВ
99 К ■ 147 К
300 К
3.3 эВ £
3.49 эВ
2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6
Е, эВ
Рис. 2. Спектры излучения КЛ структуры с пятью КЯ, полученные для облученного фрагмента при нескольких температурах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При низких температурах ширина пиков излучения существенно сужается, поэтому при температуре жидкого азота в спектре КЛ светоизлучаю-щей структуры на основе МКЯ 1пОаМ/ОаМ отдельные линии излучения разрешаются лучше, чем при комнатной температуре. Уменьшение ширины, а также возможный рост степени локализации носителей заряда при низких температурах приводит к увеличению интенсивности излучения этих линий.
На рис. 1 приведены спектры КЛ структуры с пятью КЯ, измеренные на необлученном фрагменте структуры при трех разных температурах — 90, 147 и 300 К. При низких температурах в области излучения КЯ 1пОЛМ/ОаМ кроме основной линии с энергией 2.6 эВ в виде плеча проявляется линия с энергией 2.5 эВ (здесь и далее положения линий излучения указаны для комнатной температуры, если не указана другая температура). Эта линия, вероятно, является фононным повторением линии с энергией 2.6 эВ, поскольку энергия фонона в ОаМ равна 91.2 мэВ [3, 4]. Линия с энергией 2.69 эВ, которая наблюдалась в [1, 2] после облучения структур электронным пучком при комнатной температуре, в спектрах КЛ всех исследованных необлученных структур, полученных при низких температурах, либо не была видна вовсе, либо ее можно было выделить только при помощи разложения исходного спектра КЛ на кривые Гаусса. В любом случае ее интенсивность была мала по сравнению с интенсивностью основной линии излучения.
Спектры катодолюминесценции, полученные на облученном участке светоизлучающей структуры, представлены на рис. 2. Как уже говорилось ранее, доза облучения была выбрана такой, чтобы до-
стигнуть максимума линии 2.69 эВ, возникающей в результате облучения, как в [1, 2]. Из графиков видно, что на облученном участке при низких температурах в области излучения КЯ 1пОаМ/ОаМ наблюдается четкое разделение исходной линии 2.6 эВ и линии, появляющейся в результате облучения (2.77 эВ при температуре жидкого азота). При комнатной температуре наличие исходной линии излучения можно выявить только путем разложения спектра. Такое разделение наглядно показывает, что исходная линия при облучении электронами не смещается плавно в синюю область, как предполагалось в [5—7], а остается на месте, и в дополнение к ней возникает новая линия излучения. Интенсивность этой новой линии (2.69 эВ при комнатной температуре) увеличивается с ростом дозы облучения и становится существенно выше интенсивности начальной линии. При повышении температуры разница в интенсивности линий растет.
В области излучения ОаМ в спектрах КЛ, полученных при низких температурах, как в необлу-ченной области, так и в облученном фрагменте светоизлучающей структуры, наблюдается сложная структура. Линия излучения КЛ с самой большой энергией связана с межзонным переходом. Положение максимума этой линии хорошо описывается полуэмпирической зависимостью Варшни [8] (рис. 3). На рисунке приведены зависимости положения этого пика от температуры для необлучен-ной области (светлые квадратики) и для облученного фрагмента (светлые треугольники). Рассчитанная температурная зависимость показана сплошной линией. Расчет проводился по формуле Варшни [8] Е(Т) = ЕД0) - АТ2/(В + Т) со следующими параметрами: ширина запрещенной зоны при 0 К Е^(0) = 3.502 эВ, параметры А и В определя-
40
ВЕРГЕЛЕС, ЯКИМОВ
Е, эВ 3.50
3.45
3.40
3.35
3.30
GaN необлуч. GaN облуч. ■ М§ необлуч. * М§ облуч. — Варшни
_1_I_
50
100
150 200 250
300 Т, К
и
Рис. 3. Экспериментальные зависимости (для необ-лученной и облученной областей) положения пика GaN (светлые квадратики и треугольники) и пика с энергией 3.3 эВ (черные квадратики и треугольники) соответственно и рассчитанная зависимость Варшни (сплошная линия).
лись из подгонки и равны 11.5 х 10-4 эВ • К 900 К соответственно. Следует отметить, что температурная зависимость положения линий излучения, связанных с КЯ, существенно слабее, чем линии межзонного перехода, и для некоторых структур имеет описанную в литературе ^-образ-ную форму.
На рис. 3 также приведено положение пика с энергией 3.3 эВ в зависимости от температуры для необлученной области и для облученного фрагмента исследуемой структуры (черные квадратики и треугольники соответственно). После облучения эта линия в спектрах КЛ многих структур была четко видна даже при комнатной температуре. Температурная зависимость положения этой линии намного слабее зависимости для межзонного перехода GaN. Данную линию можно ассоциировать с линией излучения М§, поскольку она отстоит от линии излучения зона-зона GaN на 18.5 мэВ, что близко к литературным значениям [3, 9]. Из рис. 2 видно, что после облучения интенсивность этой линии существенно растет. Известно, что при выращивании слоев GaN р-типа, легированных магнием, образуются комплексы М§—Н, что приводит к уменьшению эффективной концентрации носителей заряда. Было показано [10, 11], что облучение электронным пучком разрушает эти комплексы, вызывая рост концентрации свободного М§ в р+-слое GaN. Рост концентрации свободного М§, как и пассивация центров безызлучательной рекомбинации в p-GaN освободившимся водородом, может быть причиной роста интенсивности линии 3.3 эВ после облучения. Подавление безызлучательной рекомбинации в p-GaN в результате облучения в РЭМ
было также продемонстрировано в [12]. Другие пики КЛ, создающие сложную структуру спектра в этой области излучения изучаемых светодио-дов, могут быть объяснены фононными повторениями линии излучения М§ и излучением уровней мелких примесей, рассматриваемых в [9].
Таким образом, су
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.