Диссертация (1149385), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Такая ситуация во многом связан с тем, что дляисследований свойств дислокаций в элементарных полупроводниках использовались изначально бездислокационные кристаллы и многие разработанные для них подходы не могут бытьприменимы в образцах с высокой исходной плотностью дислокаций. Единственным способомисследовать свойства свежевведенных дислокаций в GaN был и остается до сих пор локальнаяпластическая деформация посредством индентирования или нанесения царапин с последующимприменением измерительных методик, обладающих достаточным пространственным разрешением.Результаты ранее выполненных исследований показали, что в подавляющем большинстве случаев дислокации в нитриде галлия как ростовые, так и введённые локальной пластической деформацией, являются центрами безызлучательной рекомбинации или, в лучшем случае,рекомбинационно неактивными центрами [1].
Вместе с тем, явление люминесценции чистыхдислокаций давно и хорошо известно и является общим для широкого круга полупроводников с6тетраэдрической координацией как элементарных Ge [2] и Si [3] , так и бинарных [4,5] и можнобыло предположить, что нитрид галлия не является в этом смысле исключением.Свидетельством чисто дислокационного происхождения люминесцентных линий являлись прямое наблюдение индивидуальных светящихся дислокаций [6], а также чувствительность спектра дислокационного излучения к тонкой структуре ядер дислокаций [7,8], а высокаяинтенсивность дислокационного излучения объяснялась локализацией неравновесных носителей в одномерных квантовых ямах, образованных дислокациями [9]. Что касается GaN, то кмоменту постановки настоящей работы подобных свидетельств о чисто дислокационном происхождении нескольких люминесцентных полос, которые возникали при введении дислокацийв GaN [1,10–12], не имелось.Автором настоящей работы в составе исследовательской группы в 2014 году впервыебыло найдено, что винтовые дислокации в базисной плоскости в GaN являются эффективнымиисточниками люминесценции со специфическим спектральным составом [13], что и определилоеё содержание как всестороннее изучение обнаруженного явления с целью установления природы и механизма его происхождения.Задачи диссертационной работыИсходя из вышесказанного, были поставлены следующие задачи настоящего исследования:1) Методом катодолюминесценции в сканирующем электронном микроскопе исследоватьлюминесцентные свойства дислокаций различных типов, введённых локальной деформацией.2) Исследовать зависимости интенсивности и спектральных характеристик дислокационного излучения в кристаллах GaN с разным уровнем легирования от температуры, механических напряжений и тока электронного луча.3) Исследовать влияние высокотемпературного отжига на свойства получаемой дислокационной структуры и излучения.4) Определить методами просвечивающей микроскопии структуру ядер исследованныхдислокаций.Научная новизна1.
Обнаружено, что а-винтовые дислокации, введённые локальной пластической деформацией в низкоомные кристаллы GaN, являются источником высокоинтенсивной люминесцентной полосы с энергией излучения 3.15-3.18 эВ при 70 К и 3.1 эВ при 300 К.72. Установлено, что полоса указанной дислокационной люминесценции характеризуетсятонкой структурой, состоящей из разрешённого дублета узких спектральных линий, сопровождающихся фононными повторениями3.
Исследованы зависимости спектрального положения и интенсивности полосы дислокационной люминесценции от температуры, механических напряжений и уровня возбуждения, результаты которых привели к выводу о её экситонном происхождении.4. Исследовано влияние высокотемпературного термического отжига на дислокационнуюлюминесценцию и показано, что она сохраняется при отжиге вплоть до температуры750 К.5. Обнаружено, что места пересечений винтовых дислокаций могут являются источникомвысокоинтенсивной специфической люминесцентной полосы с энергией излучения, отличной от люминесценции регулярных дислокационных сегментов.6.
Продемонстрировано, что а-винтовые дислокации в специально нелегированном нитриде галлия расщеплены на частичные и могут образовывать растянутые дислокационныеузлы в местах их пересечений.7. Предложена новая модель оптических переходов на винтовых дислокациях в GaN, учитывающая расщепленный характер их ядер.Положения, выносимые на защиту1) Винтовые дислокации в базисной и призматической плоскостях нитрида галлия внаправлениях <11-20>, введённые локальной пластической деформацией, в низкоомныхкристаллах GaN, являются источником высокоинтенсивной люминесцентной полосы сэнергией излучения 3.15-3.18 эВ при 70 К и 3.1 эВ при 300 К.
Тонкая структура спектраполосы дислокационного излучения (ДИ) состоит из дуплета узких линией, разделённыхпромежутком 30-35 мэВ, величина которого не зависит от концентрации свободныхэлектронов, механических напряжений и температуры и является характеристикой одиночной дислокации.2) Совпадение зависимостей энергетического положения ДИ и излучения свободного экситона от температуры, от механических напряжений и уровня возбуждения свидетельствуют об экситонном происхождении ДИ. Компоненты спектрального дуплета ДИ существенно различаются по форме и ширине и температурным зависимостям их интенсивностей.
По указанным свойствам высокоэнергетическая компонента подобна прямому экситону, а низкоэнергетическая –непрямому.3) Места пересечений а-винтовых дислокаций обладают собственной линией люминесцентного излучения с энергией ~ 3.3 эВ при температуре 70 К.84) Свежевведенные а-винтовые дислокации в низкоомном GaN расщеплены на две 30° частичные дислокации с величиной расщепления 4-6 нм.
В местах их пересечений возможно образование протяжённых узлов размером в несколько раз превышающим величину расщепления прямолинейных сегментов.5) Модель оптических переходов пространственно прямых и непрямых переходов с электронного уровня, образованного дефектом упаковки и частичными дислокациями, надырочные уровни азотной и галлиевой частичных дислокаций.Достоверность полученных результатовДостоверность экспериментальных результатов исследования дислокационного излучения и его спектрального состава подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве образцов монокристаллов GaN, выращенных различными методами.
Достоверность интерпретации полученных результатов и предложенной модели определяется привлечением ранеехорошо обоснованных теоретических положений.Научная и практическая значимость1) Полученные новые данные расширяют общие фундаментальные представления об оптических свойствах дислокаций в полупроводниках и в GaN, в частности, в котором ранеедислокации считались преимущественно безызлучательными центрами рекомбинациинеравновесных носителей.2) Высокая по сравнению с зонно-зонным переходом интенсивность дислокационной люминесценции при комнатной и более высоких температурах, а также устойчивость дислокационной структуры к высокотемпературному отжигу позволяет рассматривать этоявление как кандидат для его использования при создания светоизлучающих приборовповышенной светоотдачи.Апробация работыОсновные положения данной диссертационной работы докладывались на российских имеждународных конференциях:1) 12-ая Международная конференция «Лучевые методы исследования микроструктур и вполупроводниках» (BIAMS 12) (Цукуба, Япония, 2014)2) 10-ая Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры иприборы» (Санкт-Петербург, Россия, 2015)3) 28-ая Международная конференция по дефектам в полупроводниках (ICDS-28) (Хельсинки, Финляндия, 2015);4) 17-ая Всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2015)95) 5-ая Международная конференция «Современные тенденции научных исследованийнанообъектов искусственного и природного происхождения» (STRANN 5) (СанктПетербург, Россия, 2016)6) 13-ая Международная конференция «Лучевые методы исследования микроструктур и вполупроводниках» (BIAMS 13) (Версаль, Франция, 2016)7) 18-ая Международная конференция по протяжённым дефектам в полупроводниках(EDS-2016) (Лес Иссамбрес, Франция, 2016)8) 11-ая Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры иприборы» (Москва, Россия, 2017)9) 17-ая Международная Конференция: «Геттерирование и инженерия дефектов в полупроводниковой технологии» (GADEST 2017) (Лопота, Грузия, 2017)Основные работы, включённые в диссертацию1)О.
С. Медведев, О. Ф. Вывенко, А. С. Бондаренко, “Люминесценция свежевведен-ных а-винтовых дислокаций в низкоомном GaN,” ФТП, 49, 9, 2015.2)O. S. Medvedev, O. F. Vyvenko, and A. S. Bondarenko, “Luminescence of a-screw dis-locations in low-ohmic GaN,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 690, p. 12008, 2016.3)O. S. Medvedev, O. F. Vyvenko, A. S. Bondarenko, V. Y. Mikhailovskii, E. V. Uby-ivovk, P. Peretzki, and M. Seibt, “Recombination-related properties of a-screw dislocations in GaN: Acombined CL, EBIC, TEM study,” AIP Conf. Proc., vol. 1748, p.
20011, 2016.4)O. Medvedev, O. Vyvenko, and A. Bondarenko, “Thermal stability of DRL in n-GaN,”Phys. Status Solidi C, vol. 1700111, pp. 1–4, 2017.5)O. Medvedev and O. Vyvenko, “Intersection Nodes of Basal Screw Dislocations asLuminous Quantum Dots in GaN,” Phys. status solidi - Rapid Res. Lett., vol. 1700297, p. 1700297,2017.10Глава 1. Дефекты кристаллической решётки и их свойства1.1. Кристаллография полупроводников с тетраэдрической координациейВ данной работе будет подробно исследована дислокационная структура бинарного полупроводника нитрида галлия, который относится к тетраэдрически-координированным полупроводникам.
Поэтому вкратце рассмотрим основные аспекты кристаллографии подобных материалов.Химические соединения А2В6 и А3В5, которые сформированы элементами 2-4 и 3-5групп, соответственно, кристаллизуются в различные полиморфные модификации. Эти соединения принадлежат к двум основным формам:1) кубической структуры цинковой обманки, или сфалерит;2) гексагональной структуры вюрцита.Одно и то же соединение А2В6 (CdS, CdTe, ZnO) или А3В5 (GaAs, GaN) может встречаться как в кубической, так и в гексагональной модификации, часто зависящей от условий роста итипа подложки.1.1.1. Структура алмаза и сфалеритаКубическая решётка типа алмаза, соответствует двум гранецентрированным кубическим(ГЦК) решёткам, вложенным одна в другую со смещением атомов на (¼, ¼, ¼).
Атомы в подобных решётках имеют неодинаковое окружение, поэтому полученная структура может бытьописана как ГЦК структура с базисом из двух атомов в каждом узле решётки [14]. Структурусфалерита можно представить, как две ГЦК решётки, состоящих из атомов А и атомов В, сдвинутых друг относительно друга вдоль направления {111} на ¼ диагонали кубической решётки.CdTe и GaAs примеры бинарных соединений А2В6 и А3В5, которые в подавляющембольшинстве случаев кристаллизуются в структурусфалерита (цинковой обманки). Эта структура,принадлежащая к пространственной группе F43m,показана на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
