Диссертация (1149385), страница 23
Текст из файла (страница 23)
5.3). В случае 1 дислокации пересекаются под тупым углом и векторБюргерса сонаправлен с перемычкой (винтовая дислокация). В случае 2 дислокации пересекаются под острым углом и вектор Бюргерса перпендикулярен перемычке (краевая дислокация).Такие узлы ранее наблюдались в кристаллах AlN со структурой вюрцита с помощью ПЭМ[202]. Однако, как было представлено выше в наших образцах, свежевведённые дислокации сРис. 5.3 Схема пересечений дислокаций под тупым (1) и острым (2) углами совершенныхдислокаций111краевой компонентой проявляли свойства исключительно безызлучательных центров рекомбинации.
Следовательно, только пересечения дислокаций под тупым углом могли бы приводить кпоявлению линии IRL. Однако в п. 4.5 было показано, что точечные источники излучения IRLпоявлялись при пересечении дислокаций как под тупым, так и под острым углами.
Кроме того,полуширина линии IRL составляет 25 мэВ и намного превышает полуширину линии излучениясовершенных дислокаций 6 мэВ, наблюдавшуюся в [58]. Другим важным различием являетсяналичие дуплетной структуры IRL, чего не наблюдалось для излучения совершенных дислокаций в GaN. Представленные два факта свидетельствует о различной природе линий излученияIRL и DRL совершенной винтовой дислокации.Для винтовых дислокаций с расщеплённым ядром может ожидаться конфигурация растянутых дислокационных узлов [183,204]. Как было показано в п. 3.6 и в работе [185],а-винтовые дислокации в низкоомных кристаллах GaN являются расщеплёнными.
В таком случае пересечение таких дислокаций должно давать один растянутый и один сжатый узел(рис. 5.4), или – один растянутый узел в случае, если одна из дислокаций оканчивается в узле(п. 3.6. рис. 3.16 (А)). Подобные узлы ранее наблюдались и в ГЦК решётки [183] и в вюрцитныхкристаллах [192]. Наблюдение в ПЭМ растянутых узлов в GaN упоминается в работе [10] и демонстрируется в данной работе в главе 3.Рис. 5.4 Пересечение двух расщеплённых дислокаций с образованием растянутого и сжатогоузла [203]В предыдущем пункте при обсуждении смещения энергетического положения DRL длярасщеплённой и совершенной дислокаций дополнительный сдвиг объяснялся наличием квантово-размерного уровня дефекта упаковки, понижающим уровень, формируемый изгибом зоныпроводимости индуцированным дислокацией.
Соответственно, энергия оптического перехода112между уровнем дефекта упаковки и уровнем, связанным с изгибом валентной зоны, лежит ниже, чем между двумя дислокационными уровнями.Из экспериментальных данных известно, что характерный радиус расщепленного узла Z(порядка 15 нм) (см. рис. 3.16), полученный из данных ПЭМ в наших образцах GaN, намногопревышает Боровский радиус экситона в GaN (3 нм [140]), что позволяет следующем образомобъяснить синий спектральный сдвиг линии IRL относительно DRL.
Как уже отмечалось выше,у прямолинейных сегментов винтовых дислокаций волновые функции электронов и дырок, локализованные на близкорасположенных параллельных частичных дислокациях, достаточно перекрываются для формирования вместе с дефектом упаковки квази-1D системы и рекомбинация неравновесных носителей идёт через совместные электронные состояния. Когда расстояниемежду частичными дислокациями становится достаточно большим, то экситоны локализованные на дефектах упаковки и на частичных дислокациях на краях узла рекомбинируют независимо друг от друга через их индивидуальные состояния.
Из этого следует, что одна из излучаемых линий IRL должна совпадать с излучением от протяжённых дефектов упаковки типа I2, адругая, возможно, связана с частичными дислокациямиВ заключение следует отметить, что латеральные размеры растянутых узлов находятся вдиапазоне, в котором эффекты квантоворазмерные эффекты становятся заметными [205]. Согласно теоретическим и экспериментальным данным на плоских квадратных квантовых точкахв GaAs заметное изменение энергии оптических переходов и силы осциллятора начинались, когда их латеральный размер становился меньше 50 нм.
Таким образом, некоторые вариации размеров и формы растянутых узлов могут быть причинами пространственного различия интенсивности и спектрального положения IRL и, как следствие, отсутствия простой корреляциимежду энергетическими положениями IRL и FE.В п. 4.5 отмечалось, что общими люминесцентными свойствами дефекта упаковки I2 илинии IRL являются: энергетическое положение, полуширина линии, а также отсутствие энергетического сдвига при увеличении мощности накачки.
На рис. 5.5 для сравнения приведеныспектры люминесценции ДУ типа I2 чёрная и красная пунктирные линии, полученные из литературных данных, и характерный спектр IRL (синяя сплошная кривая). Также для полноты картины приведены спектры совершенной (фиолетовая сплошная кривая) и расщеплённой (зелёнаясплошная кривая) а-винтовой дислокации. Некоторые параметры представленных спектровсведены в табл.
5.1. Несмотря на близкое положение линий IRL и DRL совершенной дислокации, полуширина IRL сравнима с полушириной линий ДУ. В то время как значения полуширины линий DRL как для совершенной, так и для расщеплённой дислокаций сопоставимы.Резюмируя оптические свойства линии IRL (п. 4.5), результаты ПЭМ исследования свежевведенных дислокаций (п. 3.6) и литературных данных, можно с большой долей уверенности113предположить, что источником IRL являются протяжённые дефекты упаковки типа I2 в GaN,которые вероятнее всего формируются растянутыми узлами в точках пересечении расщеплённых а-винтовых дислокаций.Табл. 5.1 Сравнение некоторых параметров люминесценции дефектов в GaNЭнергетическое полоТип дефектаFWHM, мэВжение, эВY.J.
Sun et al. [193]3,33346I. Tisher et al. [145]3,32827I2-ДУДислокационный узел3,3325ДислокацияСовершенная(M. Albrecht et al. [58])Расщепленная3,33663,183 и 3,15711Рис. 5.5 Спектры люминесценции дефектов упаковки I2 [145,193], IRL, DRL расщеплённой исовершенной [58] а-винтовых дислокаций. Маркировка кривых – в легенде.114Выводы главе 5На основе экспериментальных данных и анализа литературных данных предложена модель оптических переходов в ядре расщеплённой а-винтовой дислокаций, описывающаянаблюдаемые свойства DRL и предполагающая наличие пространственно прямых и непрямыхпереходов с общего электронного уровня дефекта упаковки на дырочные уровни азотной и галлиевой частичных дислокации.Обсуждены возможные причины различного энергетического положения дислокационного излучения в низкоомных и высокоомных кристаллах GaN.На основе данных ПЭМ по структуре массивов свежевведённых а-винтовых дислокаций,на литературных данных по дислокационным реакциям и люминесцентным свойствам дефектов упаковки в GaN происхождение линии IRL приписано к растянутым узлам, образованныхпересечениями расщеплённых а-винтовых дислокаций.115ЗаключениеОсновной целью данной диссертационной работы являлось установления природы и механизма происхождения дислокационной люминесценции свежевведённых дислокаций в GaN.Последовательное изучение структурных свойств свежевведённых а-винтовых дислокаций, азатем их спектральных особенностей позволило сформулировать конечную модель оптическихпереходов, описывающую наблюдаемые экспериментальные факты.
В ходе выполнения работыполучены следующие основные результаты:1) Определены основные особенности распространения дислокаций в GaN при локальной пластической деформации базисной и призматической плоскостей. Как при индентировании, таки при нанесении царапин на базисные поверхности кристаллов GaN возникает двуслойнаядислокационная структура, в верхнем слое которой происходит образование дислокационных петель в призматической системе скольжения, а в более глубоком слое – в базисной.При индентировании базисные петли распространяются на расстояния в несколько разбольшее, чем призматические, в то время как у царапины длина базисных и призматическихпетель примерно равны.2) Установлено, что только прямолинейные сегменты а-винтовых дислокаций в базисной ипризматической системах скольжения представлены собственной интенсивной полосой излучения с энергией излучения 3.15-3.18 эВ при температуре Т = 70 К.
Дислокационное излучение представлено явно выраженной дуплетной линией с шириной расщепления~30-35 мэВ с фононными повторениями каждой из линий. Дуплетная структура является характеристикой одиночной дислокации, полуширина высокоэнергетической компоненты равны полуширине свободного экситона, в то время как низкоэнергетической компонента является уширенной и состоит из двух неразрешённых линий.
Спектр ДИ при деформации базисной и призматической плоскостей идентичен. ДИ при комнатной температуре представляет собой широкую полосу с энергией ~3.1 эВ и продолжает наблюдаться при нагреве образца до 420 К.Совпадение поведения излучения свободного экситона и зависимостей энергетическогоположения ДИ, полуширины высокоэнергетической компоненты при изменении температуры, а также зависимости энергетического положения ДИ от механических напряжений свидетельствуют об экситонном происхождении ДИ.3) Методами просвечивающей электронной микроскопии установлено, что свежевведённыеа-винтовые дислокации в низкоомном GaN являются расщепленными на две 30° частичныедислокации с величиной расщепления 4-6 нм.1164) Результаты термического отжига, а именно сохранение достаточной интенсивности дислокационного излучения для её регистрации вплоть до 420 К, и сохранение дислокационной люминесценции после отжига при температурах вплоть до 750 К, являются прямым следствиематомного строения а-винтовых дислокаций.5) При изучении структурных свойств пластически деформированных образцов в ПЭМ былообнаружено наличие растянутых дислокационных узлов в местах пересечения а-винтовыхдислокаций, характерный размер(радиус) которых составляет ≈13 нм.
В тоже время точкипересечения а-винтовых дислокаций в катодолюминесцентных исследованиях представленысобственной линией излучения с энергией ~ 3.3 эВ при 70 К. Исходя из данных фактов следует, что источниками излучения с энергией 3.3 эВ, вероятнее всего, являются растянутыедислокационные узлы, представляющие собой 2D дефект упаковки типа I2, излучающий стой же энергией и имеющий схожую полуширину с протяжёнными дефектами упаковки I2 вGaN.6) На основе экспериментальных данных и анализа литературных данных предложена модельоптических переходов в ядре расщепленной а-винтовой дислокации, описывающая наблюдаемые свойства дислокационного излучения и предполагающая наличие пространственнопрямых и непрямых переходов с общего электронного уровня дефекта упаковки на дырочные уровни азотной и галлиевой частичных дислокаций.7) 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 это явление каккандидат для его использования при создания светоизлучающих приборов повышенной светоотдачи.117Список сокращенийНиже приведены списки наиболее часто используемых в данной работе сокращений нарусском и английском языках.ДИ – дислокационное излучение (англ.
DRL – Dislocation related luminescence)ДУ – дефект упаковкиКЛ – катодолюминесценция (англ. CL – cathodoluminescence)ПД – прорастающие дислокацииПЭМ – просвечивающая электронная микроскопияСПЭМ – сканирующая просвечивающая электронная микроскопияСЭМ – сканирующая электронная микроскопияFE – free exciton (рус. свободный экситон)IRL – intersection related luminescence (в контексте этой работы данное сокращение использовалось для обозначения люминесценции пересечений а-винтовых дислокаций)REDG – recombination enhanced dislocation glide (рекомбинационно усиленное скольжение дислокаций)118БлагодарностиВ конце работы хотелось бы выразить особую благодарность научному руководителюд.ф.-м.н., профессору Вывенко Олегу Фёдоровичу за постановку задачи, помощь в интерпретации данных и оказание поддержки на всех этапах работы в течении последних шести лет.Также отдельно хочу поблагодарить Бондаренко Антона Сергеевича за обучение экспериментальным методам, помощь в постановке катодолюминесцентных экспериментов и подготовке устных и постерных докладов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
