Диссертация (1149967), страница 7
Текст из файла (страница 7)
An=1, An=2 и Bn=1 — свободныеэкситоны, D0x и A0x — экситоны, связанные на нейтральных доноре и акцепторе. Полосы(An=1 − 1LO) и (An=1 − 2LO), (D0x − 1LO) и (D0x − 2LO) — фононные реплики свободных исвязанных экситонов с рождением одного и двух LO-фононов. Стрелкой Eg показанаширина запрещенной зоны для образца № 2 при T = 5K. На вставке приведенатемпературная зависимость отношения интегральных интенсивностей фононных репликI(An=1 − 1LO) и I(An=1 − 2LO) для образца № 250Такие зависимости ранее измерялись на кристаллах группы II-VI [29,30].
Известно, что величины электрон-фононного и экситон-фононноговзаимодействий пропорциональны квадрату волнового вектора фонона. Принизкихтемпературахэкситоныимеютмалыеволновыевекторы,соответственно, фононы, участвующие в формировании первой фононнойреплики экситонного излучения, также имеют малые волновые векторы, итаким образом, первая фононная реплика при низкой температуре запрещена(имеет малую интенсивность). Этот запрет выполняется тем лучше, чемсовершеннее кристаллическая решетка, поскольку нарушения периодичностикристаллической решетки ослабляет закон сохранения суммарного импульсасистемы. Для экситонной излучательной аннигиляции с участием двух иболее фононов такого ограничения нет, поскольку требуется лишь малаявеличина суммарного волнового вектора фононов, участвующих в процессе.С ростом температуры средний импульс экситонов и, соответственно,фононов, участвующих в формировании первой фононной репликиэкситонного излучения растет пропорционально температуре [31], то есть, внашем случае должно выполняться соотношение I(An=1–1LO)/I(An=1–2LO) =CT.
В работах [29, 32] было показано, что вследствие усиления рассеянияэкситонов на дефектах при нагревании кристалла коэффициент С вприведенном выше соотношении имеет большую величину в кристаллахболее низкого качества. Для образца № 2, спектры люминесценции которогопоказаны на рис. 3.4 , C ≈ 0.13 K–1, и это свидетельствует о высоком качествеслабо легированного кремнием слоя GaN, выращенного из газовой фазы сиспользованием аммиака, триметила галлия и силана. Согласно работе [33]для кристаллического слоя GaN, выращенного методом молекулярнопучковой эпитаксии, коэффициент С значительно выше. В этой же работе[33] делается вывод о более высоком качестве кристаллов, выращенныхметодом хлор-гидридной газофазной эпитаксии по сравнению с кристаллами,выращенного методом молекулярно-пучковой эпитаксии.51Сравнение качества слоев GaN, выращенных методом хлор-гидриднойгазофазнойэпитаксии,снашимиобразцами,такжевыращеннымигазофазным методом, но с применением других реагентов (см главу 2),можно провести на основе структуры фононных реплик экситоннойлюминесценции при Т = 5 К.
В нашем образце 1 реплики свободногоэкситона намного интенсивней, чем реплики связанного экситона, в то времякак в люминесценции образца, исследованного в работе [33], ситуацияпротивоположная. Таким образом, реакция без применения хлора даетлучший результат. Что касается слоев GaN, выращенных методом МПЭ, в ихспектрах люминесценции фононные реплики свободных экситонов вообщеплохо идентифицируются.Отметим, что сравнение спектров экситонной люминесценции образца1 и выращенного по той же технологии не легированного специально слояGaN приводит к выводу, что качество образца 1 выше. Причина, возможно,заключается в том, что введение кремния в малых количествах можетпрепятствовать образованию дефектов другого типа – собственных илипримесных.Интересно отметить, что при концентрациях кремния в GaN:Si около1019 см-3 направление сдвига спектра люминесценции изменяется (рис.
3.6).52Рисунок 3.6 - Спектры фотолюминесценции слоев кристалла GaN с разнымиконцентрациями кремния (образцы ##1-5) в линейном масштабе; (CB - VB) – переходмежду зоной проводимости и валентной зоной; (D0 - VB) – переход между донорнойзоной и валентной зоной, T=5K [12]. #1 – 4,1∙1016 см-3, #2 – 3,1∙1017 см-3, #3 – 1,4∙1018 см-3,#4 – 3,4∙1018 см-3, #5 – 4,8∙1019 см-33.3 Вольт-амперные характеристики эпитаксиальных слоёв GaNВажным моментом является расширение донорной зоны и ее слияние сзонойпроводимости,которое,какбудетпоказанониже,хорошопрослеживается по трансформации вольт-амперных характеристик GaN:Si сростом концентрации кремния.Внизкотемпературныхвольтамперныххарактеристиках(ВАХ)GaAs:Si с низким уровнем легирования (концентрация некомпенсированныхдоноров менее 3⋅1018 см-3) хорошо проявляется примесный пробой – вобласти полей 102 В/см происходит резкое нарастание тока, вследствиеувеличения концентрации свободных носителей заряда в зоне проводимости(ударная ионизация доноров горячими электронами).53При росте концентрации кремния соответствующая особенность ВАХпостепенно сглаживается.
В образцах, где уровень легирования превышает1019 см-3 расстояние между донорами становится меньше боровского радиусаэлектронаиобразуетсяпримеснаязона.Придальнейшемростеконцентрации кремния примесная зона сливается с зоной проводимости, иВАХ становится линейной во всем исследованном диапазоне (рис. 3.7).Рисунок 3.7 - Полевая зависимость электропроводности эпитаксиальных слоевGaN: Si при различных уровнях легирования (образцы № 1−7). Наклонная прямая линиясоответствует линейной зависимости проводимости от напряженности электрическогополя.
Горизонтальная прямая указывает критическую величину электропроводности, прикоторой происходит переход Мотта [34] в GaN: Si – слияние донорной зоны с зонойпроводимости [16]. #1 – 4,1∙1016 см-3, #2 – 3,1∙1017 см-3, #3 – 1,4∙1018 см-3, #4 – 3,4∙1018 см-3,#5 – 5,0∙1018 см-3, #6 – 2,6∙1019 см-3, #7 – 4,8∙1019 см-3Образцы GaN: Si с концентрацией нескомпенсированных доноров3.4·1018 см−3 в области сильных полей демонстрирует приблизительнодвукратное увеличение электропроводности, что, по-видимому, обусловленозабросом носителей в процессе ударной ионизации из примесной зоны в зонупроводимости,гдеподвижностьэлектроноввдвоепревышаетихподвижность в примесной зоне. Аналогичная ситуация имеет место и вкремнии с концентрацией нескомпенсированных доноров 5·1018 см−3. Приуровнях легирования свыше 2·1019 см−3 электропроводность практическиперестает зависеть от напряженности электрического поля.
Последнее54обстоятельство, очевидно, связано с тем, что при столь высокихконцентрациях межпримесное расстояние становится меньше 1.5aB.Резкое изменение спектра излучения GaN:Si, при концентрациидоноров n0, превышающей 1019 см-3, по-видимому, связано со слияниемдонорной зоны и зоны проводимости [16, 35].При n0 > 1019 см-3 донорная зона и зона проводимости объединяются,что сильно влияет на спектр люминесценции. Когда n0 достигает 5·1019 см-3,появляется новая коротковолновая излучения полоса и интегральнаяинтенсивность люминесценции возрастает (рис.
3.6). В теоретической работе[35] отмечается, что кинетическая энергия электрона, локализованного вобласти, равной среднему расстоянию между донорами, достаточно велика,чтобы примесные состояния оказались выше дна зоны проводимости (случайсильно легированного кристалла).Высокая концентрация делокализованных электронов приводит к тому,что становится актуальной рекомбинация электрона и дырки с ненулевымизначениями импульса (эффект Бурштейна), возможно, этот эффект даётопределённый вклад в коротковолновый сдвиг спектра излучения приконцентрации доноров, превышающей 1019 см-3.Значительное рассогласование параметров кристаллических решетокAl2O3 и GaN в плоскости <0001> приводит к напряжениям в слоях GaN.Методами рентгеновской дифракции и КРС изучено изменение постояннойрешетки GaN по мере увеличении расстояния от сапфировой подложки.Согласно работе [36], напряжения решетки в слоях GaN, сформированных насапфире,релаксируютнарасстояниинесколькихмикрометровотповерхности подложки.Однако наше исследование слабо легированных эпитаксиальных слоевGaN:Si толщиной 4 микрометра, выращенных поверх слоя нелегированногоGaN, который формировался непосредственно на сапфировой подложке [16]показывает, что экситонный резонанс А лежит выше на 17 мэВ относительноего энергетического положения в свободном от напряжений объемном55кристалле GaN.
Можно сделать вывод, что полная релаксация напряжений недостигается, при этом спектры экситонной люминесценции и отраженияоказывается чувствительным инструментом для их определения. Авторамистатьи [37] была определена зависимость положения экситонных резонансовв нитриде галлия от приложенного гидростатического давления: ⁄ = 43,7 ± 1 мэВ/ГПаПодставив в эту формулу сдвиг экситонных линий, определённый намипо спектрам отражения, получим, что напряжения в выращенных слояхэквивалентны приложенному к ним гидростатическому давлению порядка0,4 ГПа.Отметим, что высокое качество спектров люминесценции слаболегированных образцов свидетельствует об однородности напряжений наростовой поверхности.3.4 КРС в эпитаксиальных слоях GaN:SiСлои кристалла GaN, легированные кремнием, были исследованыметодом КРС-спектроскопии при комнатной температуре.56Рисунок 3.8 - КРС-спектры исследуемых слоев GaN.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
