Luminescence control of LED heterostructures Grown by method metalorganic vapor phase epitaxy on sapphire.pdf Введение Полупроводниковые гетероструктуры на основе GaN являются одними из самых перспективных материалов оптоэлектроники [1, 2]. Однако получение структур высокого качества сопровождается целым рядом трудностей. Существенное влияние на свойства слоев и гетероструктуры в целом оказывают неконтролируемые примеси, собственные дефекты и дислокации, образующиеся в кристаллической решетке при выращивании. Поэтому успешное развитие современной оптоэлектроники определяется созданием технологий, позволяющих выращивать высокосовершенные полупроводниковые гетероструктуры. Люминесцентная диагностика, как известно, позволяет контролировать степень стехиометрии, наличие примесей и дефектов, определять пригодность структур для изготовления источников света [3-8]. В представленной работе методами импульсной катодолюминесценции (ИКЛ) и импульсной фотолюминесценции (ИФЛ) исследовались светодиодные гетероструктуры на основе AlGaN/GaN и структуры с квантовыми ямами InGaN/GaN, выращенные на сапфировых подложках. Методика эксперимента Объектом исследований являлись светодиодные гетероструктуры фиолетового (390-420 нм) и синего (450-470 нм) диапазонов длин волн, выращенные методом газофазной эпитаксии их металлоорганических соединений на сапфировых подложках с ориентацией (0001). Гетероструктура AlGaN/GaN (ГС-1) содержала сверхрешетку (60 пар с содержанием алюминия в AlN - 25%). Гетероструктура InGaN/GaN (ГС-2) с множественными квантовыми ямами - без сверхрешеток. Возбуждение люминесценции осуществлялось сильноточным электронным пучком (СЭП) и излучением азотного лазера (λ = 337.1 нм, τ = 10 нс) при температуре 300 К. Плотность энергии СЭП регулировалась в диапазоне от 0.005 до 0.3 Дж/см2. Средняя энергия электронов в спектре пучка составляла ~ 250 кэВ, длительность импульса тока ~ 15 нс. Плотность мощности оптического возбуждения составляла 104-105 Вт/см2. Регистрация спектров ИФЛ и ИКЛ в различные моменты времени производилась методом «спектр по точкам» c применением монохроматора МДР-23, ФЭУ-84 и осциллографа Tektronix DPO-3034. Интегральные за импульс спектры ИКЛ и ИФЛ (метод «спектр за импульс») регистрировались с помощью оптоволоконного спектрометра AvaSpec-ULS2048CL-EVO-RS (диапазон 190-1100 нм, спектральное разрешение ~ 1.5 нм). Для увеличения спектрального разрешения использовался дополнительный метод регистрации спектра ИКЛ с помощью МДР-23 и цифровой фотокамеры SONY DSLR-A500, которая устанавливалась на выходе монохроматора при снятой выходной щели. В этом случае появлялась возможность регистрации фрагментов спектра ИКЛ, шириной ~ 25 нм за один импульс возбуждения со спектральным разрешением ~ 0.25 нм. Эта методика позволяла с высокой точностью регистрировать сдвиг максимума спектра стимулированной ИКЛ при его регистрации в различных точках выращенной гетероструктуры. Экспериментальные результаты и их обсуждение Результаты сравнительных исследований люминесцентных характеристик двух гетероструктур ГС-1 и ГС-2 представлены на рис. 1 - 5. Типичные спектры ИКЛ и ИФЛ светодиодных гетероструктур ГС-1 (кривая 1) и ГС-2 (кривая 2) приведены соответственно на рис. 1, а и б. Спектры, представленные на рис. 1, а, измерены методом «спектр за импульс», а спектры на рис. 1, б, - методом «спектр по точкам». Видно, что в спектрах ИКЛ образцов ГС-1 и ГС-2 регистрируется полоса буферного слоя GaN (λm = 368 нм), на котором выращены гетероструктуры. Дополнительно к ней в спектре ИКЛ гетероструктуры AlGaN/GaN наблюдается полоса спонтанной люминесценции с максимумом при λm ~ 404 нм и шириной на полувысоте FWHM ≈ 98 мэВ, а в спектре синей гетероструктуры - полоса с максимумом при λm ~ 435 нм, FWHM ≈ 210 мэВ. Рис. 1. Спектры ИКЛ (а) и ИФЛ (б) образцов ГС-1 (кр. 1) и ГС-2 (кр. 2) Основное отличие спектров ИКЛ (рис. 1, а) от спектров ИФЛ (рис. 1, б) заключается в отсутствии полосы фотолюминесценции буферного слоя GaN (λm = 368 нм), что связано с поглощением лазерного излучения активными слоями гетероструктур ГС-1 и ГС-2. В отличие от лазерного излучения высокоэнергетический электронный пучок возбуждает все слои гетероструктуры, в том числе и буферный слой GaN, спектр которого всегда регистрируется при возбуждении СЭП. На рис. 2 показаны кинетики затухания ИФЛ образцов ГС-1 (рис. 2, а, кривые 1-3) и ГС-2 (рис. 2, б, кривые 1-7), измеренные при разных энергиях излучения в спектральном диапазоне от 401-490 нм. В образце ГС-1 кинетика ИФЛ и ИКЛ, измеренная в различных спектральных областях полосы люминесценции, практически не изменяется. В образце ГС-2 наблюдается увеличение длительности импульса люминесценции в спектральной области 430-490 нм и соответствующий сдвиг максимума спектра ИФЛ во времени в длинноволновую область. Подобная закономерность наблюдалась в работе [9] и объяснялась донорно-акцепторным механизмом люминесценции синих светодиодных гетероструктур. Увеличение плотности энергии (Н) электронного пучка приводит к формированию на длинноволновом крыле полосы спонтанной люминесценции гетероструктуры ГС-1 узкой полосы стимулированной ИКЛ при λm ~ 411 нм, FWHM ≈ 23 мэВ, интенсивность которой нарастает с увеличением Н с 0.03 до 0.2 Дж/см2 (рис. 3, а). Появление полосы стимулированной ИКЛ при λm ~ 435 нм, FWHM ≈ 18 мэВ наблюдается и в образце ГС-2, но при более высокой плотности энергии СЭП (рис. 3, б). Рис. 2. Кинетики ИФЛ образцов ГС-1 (а) и ГС-2 (б): а) 1 - 401 нм; 2 - 410 нм; 3 - 420 нм; б) 1 - 430 нм, 2 - 440 нм, 3 - 450 нм, 4 - 460 нм, 5 - 470 нм, 6 - 480 нм, 7 - 490 нм Рис. 3. Спектры ИКЛ исследуемых образцов ГС-1 (а) и ГС-2 (б) при различных плотностях энергии СЭП: а) 1 - 0.01 Дж/см2, 2 - 0.03 Дж/см2, 3 - 0.08 Дж/см2, 4 - 0.2 Дж/см2; б) 1 - 0.03 Дж/см2, 2 - 0.08 Дж/см2, 3 - 0.2 Дж/см2 В процессе исследований было обнаружено, что в образце ГС-2 спектры стимулированной ИКЛ, измеренные в различных точках (α, β, γ, δ), различаются (рис. 4, а-в). На рис. 4 представлены спектры стимулированной ИКЛ гетероструктуры ГС-2, измеренные с высоким ~ 0.25 нм (рис. 4, а) и сравнительно низким ~1.5 нм (рис. 4, б) спектральным разрешением с применением методик, приведенных выше. Измерение спектра в различных точках образца производилось сдвигом гетероструктуры, изображение которой строилось на входной щели монохроматора, вдоль координаты Х. Средние размеры зон зондирования составляли 0.5 мм. Видно, что при сдвиге образца на 10 мм максимум стимулированной ИКЛ монотонно сдвигается на 7 нм с 433 до 439 нм, что может быть обусловлено флуктуацией состава квантовых ям в гетероструктуре InGaN/GaN. Рис. 4. Спектры стимулированной люминесценции (а, б) светодиодной гетероструктуры ГС-2, полученные в точках α, β, γ, δ, отмеченных на карте люминесценции (в) Спектр стимулированной ИКЛ, измеренный в различных точках (α, β, γ) образца ГС-1, не изменялся (рис. 5). Рис. 5. Спектры стимулированной люминесценции (а, б) светодиодной гетероструктуры ГС-1, полученные в точках α, β, γ, отмеченных на карте люминесценции (в) Заключение Проведены сравнительные исследования спектрально-кинетических характеристик спонтанной и стимулированной люминесценции двух гетероструктур AlGaN/GaN и InGaN/GaN при возбуждении электронным пучком и лазерным излучением. Показано, что высокоэнергетические электронные пучки, в отличие от лазерного излучения, позволяют возбуждать более глубокие слои (до сотен микрометров) и, таким образом, получать интегральную информацию обо всей гетероструктуре, включая дефекты в переходных слоях и буфере. Установлено, что спектры стимулированной ИКЛ, измеренные в различных локальных областях гетероструктуры InGaN/GaN, различаются. Наблюдается изменение положения максимума полосы вынужденного излучения в диапазоне 433-439 нм, что может быть обусловлено изменением состава квантовых ям в различных областях гетероструктуры.

Скачать электронную версию публикации