Диссертация (1149967), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Данные,полученные методом ИК-спектроскопии, находятся в удовлетворительномсогласии с данными, полученными из спектров КРС.Выводы к главе 3- Структура спектров излучения нелегированных и слаболегированныхкремнием эпитаксиальных слоев нитрида галлия, полученных методомгазофазной эпитаксии, и их температурное поведение свидетельствуют овысоком качестве исследованных образцов.- Энергетические положения резонансов свободных экситонов указывают нато, что на ростовой поверхности эпитаксиальных слоев нитрида галлиятолщиной 4 микрометра, выращенных на сапфировых подложках, недостигается полной релаксации механических напряжений.- Трансформация спектров люминесценции и отражения эпитаксиальныхслоев GaN:Si при увеличении концентрации кремния до порядка 1019 см-3прослеживает формирование донорной зоны и ее слияние с зонойпроводимости, оптические данные находятся в хорошем соответствии с ихвольт-амперными характеристиками.- Значения концентраций свободных носителей в эпитаксиальных слояхGaN:Si, определенные по энергетическим положениям плазмон-фононныхмод в спектрах комбинационного рассеяния света, находятся в хорошемсоответствии с данными, полученными на основе холловских измерений испектров отражения в области колебаний кристаллической решетки.-Температурноеповедениеплазмон-фононныхмодвспектрахкомбинационного рассеяния света свидетельствует о том, что концентрацияэлектронов, формирующих плазменные колебания в GaN:Si с высокимсодержанием кремния, мало изменяется при охлаждении образцов вплоть до71гелиевыхтемпературпроводимости.вследствиеслияниядонорнойзонысзоной72ГЛАВА 4.
Оптическая характеризация объемных кристаллов GaN,выращенных методом газофазной эпитаксии.Цель выращивания объёмных кристаллов нитрида галлия заключаетсяв получении материала, из которого методом лазерного раскалывания можнополучить серию подложек для формирования на них высококачественныхслоев GaN и наноструктур с GaN. Такие подложки очень перспективны длявыращивания свободных от напряжений тонких слоёв GaN и сверхрешётокна его основе ввиду отсутствия рассогласования параметров решёткиподложки и образующегося на ней эпитаксиального слоя.Спектрыотражения,люминесценциииКРСнелегированногообъемного кристалла GaN, технология роста которого описана в главе 2,изучались в характерных областях образца (рис. 4.1):- нижняя и верхняя поверхности (точки 2 и 3);- боковая поверхность (скол) в областях, соответствующих двум указанным вглаве 2 режимам роста – трехмерному и двумерному (точки 1 и 4);- поверхность инверсных пирамид (точка 5) [23].Рисунок 4.1 – Схема с указанием характерных областей кристалла GaN, в которыхисследовались оптические характеристики734.1 Спектры отражения объёмного кристалла GaNВ спектре отражения от верхней части боковой поверхности – скола, вплоскости которого лежит гексагональная ось кристалла (точка 1),наблюдается резкая структура, соответствующая резонансам А, B и С экситонов нитрида галлия с главным квантовым числом n = 1 (рисунок 4.2).Рисунок 4.2 – Резонансы свободных экситонов An=1, Bn=1 и Cn=1отражения GaN, Т = 5 К; a, b, c соответствуют точкам 2, 1, 3 на рис.
4.1в спектрахЭта же структура присутствует в спектре отражения от верхнейплоскости образца (точка 2). Расхождение энергетического положенияэкситонных резонансов с известными данными для ненапряженныхкристаллов GaN [42] составляет не более 1 мэВ, что свидетельствует оботсутствиисущественных напряжений в верхних слоях исследуемогообразца. В спектре отражения от плоскости, примыкавшей к сапфировойподложке (точка 3), экситонная структура сильно размыта. Уширениеэкситонногоспектраотраженияотэтойобластикристаллане74сопровождается энергетическим сдвигом, что позволяет сделать вывод, чтоуширение экситонных резонансов определяется высокой концентрациейдефектов,анемеханическиминапряжениями.Подобноеуширениеэкситонной структуры наблюдалось в спектрах отражения эпитаксиальныхслоев GaN с концентрацией кремния, превышающей 1018 см-3 [16].4.2 Спектры люминесценции объёмного кристалла GaNНа рис.
4.3 представлены спектры люминесценции, полученные отуказанных выше характерных областей кристалла GaN.Рисунок 4.3 – Спектры люминесценции объемного образца GaN при Т = 5 К(полулогарифмический масштаб). Цифры слева соответствуют точкам на рис. 5.1. Аn=1 –свободный экситон, D0x и A0x – экситоны, связанные на нейтральных донорах иакцепторах, 1–5 LO – фононные реплики экситонного излучения с рождением продольныхоптических фононов75Спектр излучения поверхности образца в точке 2 содержит полосыбесфононного излучения свободных экситонов, экситонов, связанных нанейтральных донорах и акцепторах, а также их фононные реплики,соответствующие рождению до пяти продольных оптических (LO) фононоврешеткиGaN с энергией 91 мэВ (принадлежность отдельных фононныхреплик к различным механизмам излучения указана на рисунке 4.4).Рисунок 4.4 – Слева: спектр люминесценции поверхности GaN (точка 2 на pис.
5.1)в полулогарифмическом масштабе (a) и фононные реплики этого спектра в линейноммасштабе (b), Т = 5 К. (А0x - mLO) и (D0x - mLO) – фононные реплики излучениясвязанных экситонов А0x и D0x с рождением LO-фононов. Справа: спектры GaN:Si сразличными концентрациями кремния (глава 1). #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-3Из сопоставления спектров отражения и люминесценции в точке 2следует, что самая высокоэнергетическая полоса излучения соответствуетсвободному экситону серии А с главным квантовым числом n = 1[26, 27].Спектр излучения скола боковой поверхности образца (точка 1) такжехорошо структурирован, обращает на себя внимание малая интенсивностьфононной реплики свободного экситона, которая соответствует рождениюодного LO-фонона.
Уже говорилось о том, что излучательная аннигиляциясвободного экситона с рождением одного фонона является запрещеннымпроцессом для идеальной решетки [29], так что малая интенсивность первойфононной реплики свидетельствует о совершенстве этой области объемногокристалла.76Такимобразом,можносделатьвыводохорошемкачествеисследуемого кристалла GaN в точках 1 и 2, спектры люминесценции от этихобластей близки к спектрам высококачественных тонких эпитаксиальныхслоев GaN, легированных донорами на уровне 1016 см-3.Спектрылюминесценцииконтактировавшейотнижнейплоскостиобразца,с подложкой, и спектры от поверхности инверсныхгексагональных пирамид (точки 3 и 5) также уширены, отдельныекомпоненты бесфононного излучения свободных и связанных экситонов вних не разрешаются.
Для спектра в точке 5 характерно сильное расширение вобласть высоких энергий, что, как показано в нашей работе [16], являетсяособенностью спектра кристаллов GaN с концентрацией кремния на уровне1019 см-3. Можно заключить, что слои образца, контактировавшие ссапфировой подложкой, имеют высокую концентрацию дефектов. Это могутбыть как дислокации, так и примеси, внедрившиеся из подложки в процессероста. Что касается поверхностей инверсных пирамид, эти слои растутмедленнее, чем те слои, которые формируют регулярную поверхностьобразца, и в других кристаллографических направлениях. Это можетспособствовать как появлению структурных дефектов, так и накоплениюпримесей.4.3 Спектры КРС объёмного кристалла GaNНа рисунке 4.5 представлены спектры КРС от верхней и нижнейплоскостей образца и от поверхности инверсных пирамид (точки 2, 3 и 5).Наряду с известными линиями спектра рассеяния первого порядка A1(TO,LO), E1(TO, LO), , E2(low, high) наблюдаются более слабые компоненты вобластях 317, 410, 850 – 1000 см-1.
Слабые пики наблюдаются и в диапазоне1150 – 1500 см-1.77Рисунок 4.5 – Спектры КРС GaN при комнатной температуре: a – поверхностькристалла (точка 2), b – инверсная пирамида (точка 5), с – плоскость, контактировавшая ссапфировой подложкой (точка 3). Стрелками отмечены компоненты, индуцированныедефектами: в спектре b – широкая полоса с максимумом 420 см-1 , в спектре c – полосы317, 420, 509 и 653 см-1.
Структура в области выше 800 см-1 соответствует рассеянию сучастием двух и более фононовЭти компоненты согласно результатам теоретико-группового анализа[11, 43] соответствуют рассеянию более высоких порядков – акустическимобертонам, комбинированным акустическим и оптическим колебаниям,оптическим обертонам. Спектр рассеяния от верхней плоскости кристалла(точка 2) содержит только эти составляющие, относящиеся к регулярнойрешетке GaN.
В спектре рассеяния от поверхностей инверсных пирамидприсутствует широкая полоса с максимумом около 420 см-1, происхождениекоторой обусловлено дефектами. В спектре рассеяния от нижней плоскостиобразца наблюдаются дополнительные компоненты с максимумами 509 и 653см-1. Эта область кристалла контактировала с подложкой, и дополнительные78максимумыможноинтерпретироватькаклокальныеколебания,индуцированные дефектами примесного типа.Также были проведены исследования образца объёмного кристаллаGaN методом КРС-спектроскопии при возбуждении в область собственногопоглощения (рис.
4.6). В спектре видна широкая полоса люминесценции,отчётливо проявляется лишь компонента КРС с энергией 733 см-1,соответствующая LO-колебаниям с симметрий A1. В целом спектрмалоинформативен, по сравнению со спектрами КРС, полученными внерезонансных условиях.Рисунок 4.6 – Спектр КРС объёмного кристалла GaN при внешних резонансныхусловиях (в качестве источника возбуждения был использован лазер с длиной волны 325нм)Итак, в результате проведенных оптических исследований объемногоспециально не легированного кристалла нитрида галлия, выращенного79методом хлорид-гидридной газофазной эпитаксии, получены сведения окачестве кристаллической решетки в характерных областях кристалла.Выводы к главе 4- Оптические спектры нелегированного специально объемного GaN,выращенного методом газофазной эпитаксии на сапфировой подложке,показывают,чтокачествокристаллическойрешетки(концентрациядефектов, механические напряжения) сильно различается в его характерныхобластях.- Сравнение спектров излучения, полученных отхарактерных областейобъемного GaN, со спектрами излучения эпитаксиальных слоев GaN:Si сшироким диапазоном уровня легирования дает возможность оценитьконцентрацию дефектов в характерных областях объемного GaN.- Спектры КРС объёмного GaN свидетельствуют о неоднородности образца.Спектры наилучшего качества соответствуют ростовойповерхности, вспектрах от других областей наблюдаются компоненты, индуцированныедефектами.- Сравнение оптических характеристик не легированного специальнообъемного кристалла GaN и тонких эпитаксиальных слоев GaN:Si позволяетсделать вывод, что концентрация дефектов в наиболее совершенныхобластях объемного кристалла не превышает 1016 см-3.80ГЛАВА 5.
Оптические свойства кристаллов ZnO.5.1 Общие сведения о кристалле ZnOОксид цинка (ZnO) – перспективный полупроводниковый материал,который рассматривается в качестве альтернативы нитриду галлия длясветодиодов синей и ультрафиолетовой области спектра. Оксид цинка (ZnO)является широкозонным полупроводником, по сравнению с GaN технологияего получения является более простой, соответственно, устройства, на основеоксида цинка более дешёвые.
ZnO хорошо вытравливается в кислотах ищелочах, что позволяет производить малоразмерные устройства [44]. Врезультате экспериментов было подтверждено, что оксид цинка довольноустойчив к высокоэнергетическому излучению [45, 46], что позволяетиспользовать его для специальных целей, в том числе в космическихтехнологиях. Оксид цинка имеет одинаковую кристаллическую структуру снитридом галлия и близкие параметры решётки, так что его можноиспользовать как подложку для эпитаксиального роста слоев нитрида галлия.5.2 Метод магнетронного распыления для ZnOОдной из популярных технологий для получения плёнок оксида цинкаявляется метод магнетронного распыления. По сравнению с методамигазофазного осаждения и золь-гель [47, 48], этот метод являетсяпредпочтительнее ввиду его дешевизны, простоты и низкой температурероста образцов [49].Плёнки ZnO растут на подложке при катодном распылении мишени(Zn) в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных81полях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
