Фононный спектр LED-гетероструктуры InGaN/GaN с квантовыми ямами
Измерения фононного спектра LED-гетероструктуры на основе барьера In0.12Ga0.88N/GaN показали наличие в нём четырех пиков фононного излучения с энергиями 0.193, 0.207, 0.353 и 0.356 эВ. Из сравнения результатов проведённого расчета энергетического спектра электронной и дырочной квантовых ям с полученными экспериментальными данными предположено, что указанные пики могут быть интерпретированы как энергии фононов, генерируемых при захвате электронов из барьерного слоя на второй уровень размерного квантования, а также при релаксации электронов со второго уровня на излучательный уровень и захвате дырок на верхний уровень квантовой ямы.
Phonon spectrum of LED InGaN/GaN heterostructure with quantum wells.pdf Введение В настоящее время в научной литературе недостаточно внимания уделяется рассмотрению механизмов захвата и эмиссии носителей заряда квантовой ямой (КЯ) в LED-гетерострук¬турах (ГС). В свою очередь данные механизмы задают ток инжекции в КЯ, который определяет эффективность работы светодиодной ГС. Существует несколько моделей, описывающих захват и эмиссии носителей заряда на энергетические уровни: модель Дж. Томсона [1], каскадная модель Лэкса [2], модель Абакумова - Переля [3, 4], модель Шокли - Рида - Холла [5-7]. Однако до настоящего времени ни одна из них не учитывает, в требуемом для согласования с экспериментом объеме, принципиальные особенности взаимодействия КЯ и носителей заряда, связанные с участием в резонансном захвате - эмиссии свободных электронов и фононов с образованием стоячей волны с разностной энергией, представляющей спектр электрона в КЯ [3, 4, 8-10]. Исходные положения Представленная на рис. 1 энергетическая диаграмма электронной (n-КЯ) и дырочной (p-КЯ) квантовых ям показывает, что процесс взаимодействия носителей и КЯ заключается в захвате носителя на верхний уровень размерного квантования (УРК) с характерным временем или его эмиссии со временем [10]. Избыток энергии захваченного электрона реализуется в виде фонона с энергией и при захвате дырки. Возможно излучение нескольких фононов с разными энергиями, но однофононные процессы, видимо, более вероятны. Далее захваченные носители через время релаксируют на нижние уровни с испусканием фононов разностных энергий и , с которых осуществляются излучательные переходы зона - зона с временем рекомбинации . Из проведенного анализа взаимодействия свободных носителей заряда с КЯ следует, что соотношения времен захвата, эмиссии, безызлучательной релаксации и времени излучательной рекомбинации являются определяющими для получения высокого внутреннего квантового выхода эмиссии излучения: одни характеристические времена должны быть максимальными ( , ), а другие - минимальными ( , , , ). Если описания состояния свободного электрона в барьерном слое и электрона-волны в яме не вызывают затруднений, то описание третьего участника взаимодействия - оптического или акустического фонона в КЯ - требует отдельного рассмотрения. В настоящее время в литературе недостаточно работ по исследованию физических процессов по формированию фононных спектров КЯ из InGaN и интерфейса GaN-InGaN. Имеющиеся данные указывают на то, что основными участниками процесса захвата носителей заряда КЯ являются оптические фононы [11-13]. Однако нет данных о механизме образования фононов, численных значениях их энергий применительно к захвату электронов и дырок в ГС на основе наиболее используемого на практике соединения In0.12Ga0.88N. Рис. 1. Захват и эмиссия носителей заряда КЯ с генерацией фононов Цель данной работы - экспериментальное исследование фононного спектра светодиодной ГС с КЯ для выявления его базовой структуры и особенностей в режиме излучения света, а также частот оптических фононов, которые ответственны за захват носителей в КЯ. Постановка эксперимента Исследуемые образцы представляли собой светоизлучающие гетероструктуры на основе барьеров In0.12GaN/GaN, в которых на выходе излучения отсутствовал люминофорный слой. Их фононный спектр измеряли методом фурье-спектроскопии [14] путем регистрации спектров диффузного отражения в диапазоне от 0.04-0.5 эВ (400-4000 см-1) на ИК-фурье-спектрофотометре (ИКФС) Shimadzu IRTracer-100 с приставкой DRS-8000A [14]. В качестве возбуждения неравновесного состояния образцов использовалось когерентное излучение из красной области видимого спектра. В проведенных экспериментах исследовано около десятка гетероструктур, показавших качественно одинаковые результаты. Наряду с регистрацией спектров диффузного отражения LED-гетероструктур в эксперименте измерялись фононные спектры диффузионных арсенид-галлиевых светодиодов марки АЛ106 с красной линией излучения. Сравнение спектров диффузионных светодиодов и LED ГС позволяет, с определенной достоверностью, выделить области спектра ГС, которых нет в спектре диффузионных светодиодов и которые содержат информацию о взаимодействии носителей заряда с фононами в КЯ. Для исключения систематической ошибки в начале эксперимента измеряли спектр выключенной ГС, который рассматривали как фоновый. Затем записывали спектр включенной ГС, из которого вычитали фоновый спектр. Получаемый спектр рассматривали как итоговый. В программном обеспечении LabSolutions IR, работающем с ИКФС Shimadzu IRTracer-100, полученные с помощью преобразования Кубелки - Мунка разностные спектры диффузного отражения преобразовывались в спектры поглощения исследуемого объекта [15, 16]. Результаты эксперимента Форма длинноволнового спектра отражения - поглощения в видимом диапазоне ГС показана на рис. 2. Его сравнение с фононным спектром диффузионного светодиода показало, что их различие вызвано существованием в спектре LED ГС двух областей пиков коэффициента отражения - поглощения с энергиями в диапазоне 0.18-0.22 эВ и 0.35-0.36 эВ. Их наличие рассматривается как результат влияния КЯ на генерацию оптического излучения с образованием фононов в ГС. В спектре отражения - поглощения включенной ГС обнаружено также большое количество пиков длинноволнового излучения. Наиболее значимый среди них пик с энергией 0.09 эВ может быть связан с продольными оптическими фононами [17]. Пики в области 0.45-0.48 эВ, вероятно, связаны с водосодержащими соединениями. Рис. 2. Фононный спектр излучающей гетероструктуры InGaN/GaN, спектр выключенной гетероструктуры вычтен Рассматривая полученные результаты измерения фононного спектра с позиций классической модели Лоренца в рамках однофононного резонанса [14], указанные значения энергий с большой долей вероятности можно связать с энергиями фононов, образующихся в ГС при излучении видимого света. Это энергия, которую электрон отдает решетке вещества КЯ, опускаясь из зоны проводимости барьера на верхний УРК ямы. Для типичного значения глубины n-КЯ в LED-гетеро¬структурах, равного 0.40 эВ, и доли индия в составе ямы, равной в КЯ из In0.12Ga0.88N толщиной 1.9 нм, будет только два УРК с энергиями эВ и эВ. Тогда захват электрона на верхний уровень будет сопровождаться высвобождением избытка энергии величиной эВ. Это значение энергии испускаемого фонона близко к энергии пика фононного спектра c эВ. Другим каналом генерации фононов в LED ГС является релаксация захваченных электронов с верхнего уровня на нижний, излучательный уровень. Выделяемая при этом энергия равна разности энергий верхнего и нижнего УРК и составляет эВ, что в пределах точности эксперимента попадает в область пика фононного спектра рис. 2 эВ. Второй пик плотности фононов с энергией 0.18 эВ, вероятно, вызван захватом дырки на УРК в дырочной яме. Ввиду различия эффективных масс электронов и тяжелых дырок в веществе In0.12Ga0.88N энергетический спектр для дырок плотнее электронного в раз. Тогда УРК в p-КЯ будут иметь следующие значения энергий: эВ, эВ. При глубине p-КЯ эВ захват дырок на уровень будет сопровождаться испусканием фонона с энергией 0.18 эВ, которую можно интерпретировать как второй пик в спектре фононов. Использованные численные значения параметров гетероструктуры с КЯ из InGaN соответствуют параметрам реальных ГС [18, 19]. Отметим, что релаксация захваченной дырки на излучательный уровень будет сопровождаться излучением фононов, энергия которых находится за пределами обсуждаемых пиков. Выводы По экспериментально измеренным спектрам отражения - поглощения LED ГС с КЯ на основе барьера InGaN/GaN, а также спектров диффузионного светодиода рассчитаны спектры светоизлучающей ГС с КЯ. На полученных спектрах обнаружены две области частот фононов (0.18-0.22 эВ и 0.35-0.36 эВ), которые связываются с особенностями процесса захвата свободных носителей заряда электронной и дырочной квантовыми ямами. Расчеты показывают, что для ГС с типичными значениями для LED-источников толщиной КЯ нм и содержанием In в катионной подрешетке фононы с энергией эВ, вероятно, образуются в результате захвата электронов из барьера на второй УРК в электронной яме: . Последующая релаксация электронов на нижний уровень сопровождается генерацией фононов с энергией эВ, которая ввиду уширения спектра и приближенного расчета УРК может быть отождествлена с пиком плотности фононов эВ: . Такую же энергию имеют фононы, испускаемые при захвате дырок на второй УРК: .
Ключевые слова
квантовая яма,
захват электронов,
фононы,
спектр,
преобразования Кубелки - МункаАвторы
Давыдов Валерий Николаевич | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | д.ф.-м.н., профессор каф. ЭП ТУСУРа | dvn@fet.tusur.ru |
Лапин Алексей Николаевич | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | к.т.н., ст. науч. сотр. лаб. РКМ ТУСУРа | alexey_nl@sibmail.com |
Задорожный Олег Федорович | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | аспирант каф. ЭП ТУСУРа | oleg9300@mail.ru |
Всего: 3
Ссылки
Thomson J.J. // Philos. Mag. - 1924. - V. 47. - P. 337.
Lax M. // Rev. Mod. Phys. - 1960. - V. 32. - P. 25.
Yassievich I.N., Abakumov V.N., and Yassievich I.N. // JETP. - 1976. - V. 71. - P. 657.
Абакумов В.Н., Перель В.И., Яссиевич И.В. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках. - СПб.: Изд-во «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН», 1997. - 376 с.
Hall R.N. // Proc. IEEE - 1959. - V. 106B. - P. 923.
Shockley W. and Read W.T. // Phys. Rev. J. - 1952. - V. 87. - P. 835.
Wertheim G.K. // Phys. Rev. J. - 1958. - V. 109. - P. 1086.
Соколова З.Н., Тарасов И.С., Асрян Л.В. // ФТП. - 2011. - Т. 45. - Вып. 11. - С. 1553-1559.
Соколова З.Н., Бахвалов К.В., Лютецкий А.В. и др. // ФТП. - 2016. - Т. 50. - Вып. 5. - С. 679-682.
Давыдов В.Н., Каранкевич О.А. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 2. - С. 19-25.
Bloom P.W.M., Smidt C., Haverkort J.E.M., and Wolter J.H. // Phys. Rev. - 1992. - V. B47. - P. 2072.
Wu F., Tian W., Yan W.Y., et al. // J. Appl. Phys. - 2013 - V. 113. - P. 154505.
Beeler M., Trichas E, and Monroy E. // Semicond. Sci. Technol. - 2013 - V. 28. - P. 074022.
Ефимова А.И., Головань Л.А., Кашкаров П.К. и др. Инфракрасная спектроскопия систем пониженной размерности. - СПб.: Лань, 2016. - 246 с.
Mitchell M.B. Advanced in Chemistry / eds. M. Urban et al. - Washington, DC: American Chemistry Society, 1993. - P. 351-375.
Fuller M.P. and Griffiths P.R. // Anal. Chem. - 1978. - V. 50. - No. 13. - P. 1906-1910.
Протасов Д.Ю., Малин Т.В., Тихонов А.В. и др. // ФТП. - 2013. - Т. 47. - Вып. 1. - С. 36-47.
Шуберт Ф. Светодиоды: пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - 2-е изд. - М.: Физматлит, 2008. - 495 с.
Vungaftman J., Meyer J.R., and Ram-Mohan L.R. // J. Appl. Phys. - 2001. - V. 89. - No. 11. - P. 5815-5875.