Диссертация (1149385), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Albrecht и др.[58] и немногим позже I. Belabbas и др. [59] провели более тща-107тельный расчёт, который показал наличие вклада вышележащих подуровней зоны проводимости в электронные состояния вблизи ядра дислокации. M. Albrecht и др. показали наличие изгиба подзоны проводимости с p- состояниями в объёме винтовой дислокации, которые в своюочередь уже чувствительны к сдвиговым напряжениям, создаваемым винтовой дислокацией.Подобная гибридизация sp-состояний и поведение зоны проводимости не учитывается теориейдеформационного потенциала [54].
Положения энергических уровней в квантовых ямах зоныпроводимости и валентной зоны у дислокации не были рассчитаны в этих работах. Красныйсдвиг линии DRL приписывался сужению запрещённой зоны около ядра совершенной винтовойдислокации, как это показано на рис. 5.2 (1), взятой из работы [58], которая дополнена уровнями деформационного потенциала дислокации, между которыми и происходят оптические переходы.Логично предположить, что дополнительный сдвиг в низкоэнергетическую сторону на150 мэВ DRL линии в низкоомном n-GaN в сравнении с DRL в полуизолирующих образцах связан с конкретными электронными свойствами ядра расщеплённой дислокации, как комплексаиз кванторазмерно узкого дефекта упаковки и 30 градусных частичных дислокаций.
В теоретической работе [120] для состояний ядра 30o частичных дислокаций предсказывалось наличиеуровня выше валентной зоны на 1 эВ, который, очевидно, не подходит для объяснения энергетического положения DRL линии, описываемой в данной работе. Однако, 30° дислокации обладают не только сдвиговыми компонентами тензора деформации, как в случае совершенной дислокации, так и одноосными и гидростатическими компонентами. Таким образом, притягивающий потенциал для электронов зоны проводимости присутствует даже в приближении теориидеформационного потенциала, но энергетическая щель между мелкими деформационнымиуровнями в зоне проводимости и валентной зоны оказываются снова недостаточными и данныеуровни не могут залегать глубже чем 100 мэВ даже для совершенной 60° дислокации [57].
Выше рассматривалась ситуация, когда формирование ДУ I2 за счёт расщепления совершеннойдислокации уменьшает энергию кристалла. Но появление ДУ также может обеспечить дополнительное понижение энергии электронных уровней на ~150 мэВ, исходя из люминесцентныхсвойств ДУ [39]. Образование квантовой ямы за счёт ДУ I2 и наличие одномерных подзон частичных дислокаций дают суммарное понижение энергии электронных уровней, которое и приводит к суммарному сдвигу DRL излучения в низкоомных кристаллах GaN на величину порядка 300 мэВ. Предполагаемая схема оптических переходов для расщепленной дислокации представлена на рис.
5.2 (2) и (3).На рис. 5.2 (2) мелкие уровни для электронов формируемые 30° дислокациями в зонепроводимости лежат глубже чем уровень дефекта упаковки. Тем самым оптические переходымежду дислокационными уровнями в расщеплённой дислокации сдвинуты в низкоэнергетиче-108скую сторону в сравнении со случаем, описанным на рис. 5.2 (1).
Дуплетная структура DRL вданной модели может быть связана с переходами между энергетическими уровнями двух различных частичных дислокаций (DRLL) и/или переход с уровня дефекта упаковки на дырочныеуровни дислокаций (DRLH). В данной модели оба перехода на частичные дислокации являютсяпрямыми и не ожидается каких-либо различия в их свойствах.Экспериментальные данные по температурной зависимости, продемонстрированные вп. 4.3, несмотря на схожее поведение энергетического положения обеих линия DRL и свободного экситона, обнаруживают определённые различия в поведении интенсивности линий DRLдруг относительно друга.
Низкоэнергетическая компонента DRLL доминирует в спектре принизких температурах, но быстро затухает с увеличением температуры, хотя более низкая энергия оптического перехода должна соответствовать более глубокому уровню и, следовательно,большей стабильности при повышении температуры.На рис. 5.2 (2) учтено, что ядра двух 30° частичных дислокаций, ограничивающих полосу дефекта упаковки типа I2, состоят из различных атомов: ядро одной из дислокаций состоитпреимущественно из атомов азота, другое – из галлия.
Из-за наличия электрических полей, вызванных спонтанной поляризацией [144] и различно заряженными ядрами частичных дислокаций [59], энергетические уровни Ga+ и N- терминированных дислокаций будут различаться друготносительно друга. Деформационный и кулоновский потенциалы Ga-частичной дислокациивместе с уровнем дефекта упаковки формируют глубокий уровень для электронов (на рис. 5.2(3) обозначен как ESF).
В тоже время кулоновский и деформационный потенциалы формируютна N частичной дислокации глубокий уровень для дырок. С другой стороны, кулоновский потенциал Ga и N дислокаций является отталкивающим для дырок и электронов соответственно.Тем не менее, в непосредственной близости к дислокации их сумма с деформационным потенциалом остаётся притягивающей, образуя седловую точку [198].
Так как боровский радиус эк-Рис. 5.2 Схематическое изображение оптических переходов для совершенной винтовой дислокации (1), расщеплённой винтовой дислокации без учёта внутренних электрических полей (2),расщеплённой винтовой дислокации с учётом внутренних электрических полей (3)109ситона в объёме GaN ( примерно равен 3 нм [140]) сопоставим с шириной дефекта упаковки, товолновые функции электронов и дырок локализованных на частичных дислокациях перекрываются достаточно для формирования вместе с ДУ квазиодномерной электронной структуры, ирекомбинация носителей происходит через совместные электронные состояния. В таком случаедва хорошо различимых оптических перехода могут быть изображены на рис.
5.2 (3): прямойпереход между состояниями одной и той же дислокации и непрямой переход с электронных состояний галлиевой дислокации на дырочные состояния азотной дислокации.Линия DRLH является экситоно-подобной и термически стабильной при высоких температурах, что говорит о высоком значении энергии связи экситона и более того сильной локализация близко расположенных электронных и дырочных волновых функций.
Вышеперечисленные свойства пространственно прямого перехода можно описать как переход между уровнемдефекта упаковки ESF и мелким дырочным состоянием Ga ядра частичной дислокации. Увеличение энергии связи может быть объяснено понижением размерности структуры до 1D, котороеприводит к увеличению энергии связи в несколько раз [199].Линия DRLL также является экситонно-подобной, но оптический переход которой сдвинут в красную сторону на 30 мэВ относительно линии DRLH. Это может быть объяснено меньшей энергией связи экситонов перехода DRLL и, соответственно, более слабым перекрытиемэлектронных и дырочных волновых функций.
Подобное поведение является отличительнойчертой пространственно непрямых переходов, которые прежде наблюдались в квантовыхструктурах во внешнем электрическом поле и также для дефектов упаковки в GaN с встроенным электрическим полем спонтанной поляризации (квантово-размерный эффект Штарка)[200]. На рис. 5.2 (3) переход DRLL образован уровнем ESF и мелкими состояниями частичнойдислокации с азотным ядром. Плотность электронов, участвующая в обоих переходах, одинакова, и определяется концентрацией равновесных электронов в низкоомных образцах.
Концентрация избыточных дырок на уровне азотной частичной дислокации будет составлять на (ℎ −ℎ )/ больше, чем на галлиевой частичной дислокации, где ENh, EGah энергии дырочныхуровней на N и Ga частичных дислокациях соответственно, kT – температура в эВ. С увеличением температуры соотношение концентрации дырок между двумя частичными дислокациямибудет уменьшаться, делая более вероятными прямые переходы.В данной модели энергия непрямых переходов и их интенсивность должны быть чувствительны к ширине дефекта упаковки, тогда как для прямых переходов это будет неважно.Изменение ширины дефекта упаковки вдоль линий дислокаций действительно наблюдалось вПЭМ для исследуемых в данной работе образцов, как и наблюдалось изменение формы и интенсивности DRLL на различных участках одной дислокации, в то время как форма Лоренцподобной линии DRLH была довольно стабильной.
Кроме того, светящиеся винтовые дислока-110ции в исследуемых образцах становились подвижными во время КЛ-измерений, что было отмечено и в предыдущих исследованиях дислокаций в GaN [97,201]. Наблюдаемое ускоренноедвижения дислокаций с увеличением температуры, сопровождающееся локальным уширениеми сужением ширины дефекта упаковки, может объяснить наблюдаемое уширение линии DRL L сувеличением температуры.5.2.
Люминесценция пересечений а-винтовых дислокацийСпектральная позиция линии IRL (3.31 эВ) близка по положению и к сообщённой ранеепозиции для совершенной винтовой дислокации (3.35 эВ [58]) в полуизолирующем кристалле, ик позиции люминесценции протяжённого дефекта упаковки типа I2 (3.32-3.33 эВ [39]). В работах [39,58] для объяснения зарегистрированного красного сдвига DRL и люминесценции ДУотносительно зона-зонного излучения были использованы модели сужения запрещённой зонывблизи совершенной дислокации и модель квантовых ям соответственно.Рассмотримподробнеевозможныеструктуры,образующиесяприпересеченииа-винтовых дислокаций. Из теории дислокаций известно, что конфигурация четверных дислокационных узлов является энергетически невыгодной и распадается на два тройных узла. Двепересекающиеся совершенные винтовые дислокаций в плоскости (0001) в вюрцитной структуреформируют 2 тройных узла, соединённых перемычкой совершенной дислокации, имеющей чисто винтовой и чисто краевой типы в зависимости от угла под которым пересекаются первичные дислокации (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
