Диссертация (1149385), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Комбинация ПЭМ + КЛ позволило установить, что 60° дислокации в базисной плоскости являются источниками излучения с энергией 2.9 эВ, а винтовыедислокации в базисной плоскости являются исключительно безызлучательными центрами рекомбинации.В 2014 году три группы независимо друг от друга продемонстрировали наличие дислокационной люминесценции в объёмных кристаллах GaN при локальном деформировании прикомнатной температуре, связанное с винтовыми дислокациями в базисной плоскости[13,58,152].
Во всех трёх работах получена прямая корреляция положения дислокаций с появлением новых спектральных линий в спектре излучения кристаллов.В полуизолирующем кристалле GaN, легированном Fe а-винтовые дислокации были источником одиночной интенсивной линии люминесценции с энергией 3.35 эВ. Основываясь нарезультатах просвечивающей микроскопии авторы установили, что дислокационная люминесценция вызвана оптическими переходами вблизи совершенной а-винтовой дислокации [58].Наблюдаемый при этом красный сдвиг ДИ в 0.15 эВ по сравнению с шириной запрещённой зоны оказался больше, чем ожидаемый из величины изгиба только валентной зоны, обусловленного сдвиговыми упругими деформациями вокруг винтовой дислокации. В поисках объяснениядополнительного спектрального сдвига авторы провели теоретические расчёты из первыхпринципов и показали, что у винтовых дислокаций в GaN [58,59] имеется также изгиб зоныпроводимости, который отсутствует в теории деформационного потенциала по соображениямсимметрии.Как сообщалось в работе [152], в низкоомных кристаллах GaN а-винтовые дислокации,введённые наноиндентированием при комнатной температуре, приводили к появлению малоинтенсивного излучения с энергией ~3.18 эВ при 70 К.
Авторы этой работы [152] не имели данных о структуре ядер дислокаций, но установили, что отжиг при температуре 500°C приводил кисчезновению дислокационной люминесценции. Этот факт привел к выводу, что ДИ вызваноточечными дефектами, формируемыми дислокациями при их движении и исчезающими припоследующем отжиге [152].Наконец, исследования, проведённые в нашей группе на специально нелегированныхнизкоомных кристаллах GaN, обнаружили, что люминесценция а-винтовых дислокаций характеризуется набором узких линий в спектральной области, отстоящей от края фундаментальногопоглощения на 300 мэВ, интенсивность которых превосходит интенсивность свободного экси-45тона.
Смещение спектрального положения дислокационного излучения в низкоэнергетическуюсторону в низкоомных кристаллах относительно полуизолирующих кристаллов на ~150 мэВ[13,153] было объяснено различием структуры ядер дислокаций в материалах различной проводимости, а именно с тем, что в специально нелегированных кристаллах дислокации расщеплены на частичные, ограничивающие полоску дефекта упаковки, который образует квантовуюяму в зоне проводимости [153].Как видно из приведённого обзора, тремя коллективами предложены три различные модели для объяснения дислокационной люминесценции, связанной со свежевведеннымиа-винтовыми дислокациями.
Понимание истиной природы дислокационного излучения в GaNпредставляет интерес не только с точки зрения фундаментальных процессов в полупроводниковых низкоразмерных структурах, но и для возможного практического применения дислокационной люминесценции, связанной с её высокой интенсивностью при комнатной температуре иотносительной стабильностью при отжигах [154].1.5. Выводы к главе 1 и постановка задачи исследованияВ данной главе рассмотрены особенности бинарных полупроводников с тетраэдрическойкоординацией, проведён анализ основных плоскостей скольжения и типов совершенных/расщеплённых дислокаций в гексагональных кристаллах.Проведённый литературный обзор влияния дислокаций на электронную структуру и оптические свойства полупроводников демонстрирует большой интерес исследователей по всемумиру к данному вопросу, как с точки зрения изучения негативного влияния на готовые полупроводниковые приборы, так и использования дислокаций в качестве естественных низкоразмерных структур.
Однако, несмотря на огромное количество работ по данной теме, происхождение тех или иных свойств дислокаций до сих пор остаётся открытым, даже для такого хорошоисследованного полупроводника как кремний.Анализ современного положения дел в изучении дислокаций в GaN показал, что подавляющее количество работ посвящено прорастающим дислокациям в направлении (0001), которые в большинстве случаев являются безызлучательными центрами рекомбинации. Однако, обнаруженная тремя группами независимо друг от друга дислокационная люминесценция свежевведённых а-винтовых дислокаций противоречит как некоторым теоретическим расчётом,так и ранее полученным экспериментальным данным.
Различие энергии дислокационного излучения в полуизолирующих и низкоомных кристаллах, отсутствие подобного излучения в других экспериментальных работах, и различные модели, предложенные исследователями для объяснения явления дислокационной люминесценции, ставят целый ряд вопросов, требующих проведения дополнительных экспериментов.46Поэтому целью данной работы является подробное изучение спектральных особенностей излучения свежевведенных а-винтовых дислокаций в широком диапазоне температур, изучение влияния концентрации свободных носителей и механических напряжений методом катодолюминесценции, позволяющем получить высокое пространственное и спектральное разрешение.
Другой целью работы является изучение атомной структуры а-винтовых дислокаций спомощью просвечивающей электронной микроскопии. Полученная совокупность данных обоптических свойствах и структуре дислокаций позволит построить полную модель оптическихпереходов, позволяющую описать наблюдаемые свойства а-винтовых дислокаций и их различия в образцах с различной проводимостью.47Глава 2. Методы исследования.
Описание образцов.2.1. Люминесцентная спектроскопияДля анализа свойств дислокационного излучения, исследованного в настоящей работе, вэтом параграфе приведен краткий обзор механизмов рекомбинации в полупроводниках с указанием характерных признаков каждого из них.На рис. 2.1 схематически представлены генерация неравновесных носителей и последующая термализация носителей к краям валентной зоны и зоны проводимости (синяя стрелка),излучательная рекомбинация (зелёные стрелки) и безызлучательная рекомбинация (красныестрелки).Рассмотрим вкратце каждый из процессов рекомбинации носителей тока.
Цифрой (2) нарис. 2.1 отмечена зона-зонная излучательная рекомбинация электронов и дырок, которая играетРис. 2.1 Схема генерации и различных путей рекомбинации неравновесных носителей в полупроводнике. Синие стрелки – генерация и термализация носителей к краю зоны (1). Зелёныестрелки – излучательная зона-зонная рекомбинация (2), рекомбинация экситонов (3), излучательная рекомбинация свободных носителей через связанные уровни (4 и 5), донорноакцепторная рекомбинация (6) и рекомбинация через локальные уровни в запрещённой зоне(7). Красные стрелки – безызлучательная рекомбинация через глубокие уровни (8) в запрещённой зоне, Оже-рекомбинация (9).существенную роль при повышенных температурах, когда энергии кулоновского взаимодействия неравновесных электронов и дырок недостаточно для образования связанных состояний.Следующим механизмом является излучательная рекомбинация экситонов, обозначенная (3) на рис.
2.1. Между свободным электроном и дыркой, как между противоположно заряженными частицами, существуют силы кулоновского притяжения. Образовавшаяся квазичастица называется экситоном. Экситоны являются устойчивыми частицами, если их кинетическая энергия (Ekin = 3kT/2, k – постоянная Больцмана, Т – температура) не превышает энергию48связи экситона EFE. Поэтому при пониженных температурах в люминесценции преобладает экситонное излучение, а с увеличением температуры оно переходит в зонно-зонное вследствиетермостимулированного распада экситонов. В GaN излучение экситонов играет значительнуюроль даже при комнатной температуре, т.к. энергия связи свободного экситона в GaN равнапримерно 24 мэВ, что сравнимо с kT = 25.8 мэВ при Т = 300 К. Для зонно-зонного излучения иизлучения свободного экситона характерны линейная зависимость его интенсивности от уровнявнешнего возбуждения, а также следование их энергий ширине запрещенной зоны при вариации температуры или механических напряжений.Различные примеси или неоднородности потенциала кристаллической решётки полупроводника могут выступать как эффективные центры захвата для экситонов, приводящие к образованию различных экситонных комплексов.
Энергия связи экситонов, связанного на примесях,обычно значительно меньше энергии свободного экситона. Поэтому линии их люминесценциинаблюдаются при температурах близких к температурам жидкого гелия, а интенсивность их излучения характеризуется насыщением при достаточно больших уровнях возбуждения, так какколичество центров примесного излучения значительно меньше, чем атомов основной решетки.Также возможны оптические переходы между свободными носителями в зонах непосредственно на частично заполненные уровни мелких доноров Ea или акцепторов или Ed (4 и 5).При высокой концентрации как доноров, так и акцепторов возможны прямые оптические переходы между ними.
Кулоновское взаимодействие между компонентами донорно-акцепторныхпар (ДАП) увеличивает энергию оптических переходов, на величину, обратно пропорциональную расстоянию R между ними, что при случайном распределении R приводит к широкой полосе энергий излучения E(R) (6 на рис. 2.1), а также к характерному изменению ее формы сувеличением накачки.Отдельно можно вынести механизм последовательного захвата из разрешённых зонэлектронов и дырок глубоким уровнем Et в запрещённой зоне (7 на рис. 2.1). Один из актовдвух переходов может быть излучательным, а другой безызлучательным или оба безызлучательными (8 на рис.
2.1). Поскольку сечения захвата электронов и дырок центрами обычносильно различаются, с увеличением возбуждения происходит их заполнение одним из типовносителей, что приводит к насыщению данного канала рекомбинации.Основным механизмом безызлучательных переходов является многофононная генерация, которая осуществляется за счет электрон-фонноного взаимодействия при изменении атомной конфигурации дефекта [Яссиевич]. При этом происходят переходы между свободными зонами и многочисленными фононными подуровнями дефекта, что приводит к широким полосамизлучения, ширина которых увеличивается с температурой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
