eng
Выпуск #1/2014
Н.Качалова, В.Войцехович, А.Мамута, В.Хоменко, В.Осинский, Н.Ляхова, А.Суший, Н.Суховий
Фотолюминесценция GaN/InGaN-множественных квантовых ям, сформированных на наностержнях GaN
Фотолюминесценция GaN/InGaN-множественных квантовых ям, сформированных на наностержнях GaN
Просмотры: 6901
Исследования спектров фотолюминесценции светодиодных полупроводниковых гетероструктур с множественными квантовыми ямами GaN/InGaN на "плоских" нанотемплатных слоях нитрида галлия и на наностержнях показали интересные результаты. Оказалось, что эффективность излучения фотолюминисценции множественных квантовых ям на "плоских" нанотемплатных слоях GaN на порядок ниже интенсивности, полученной на наностержнях.
Множественные квантовые ямы (МКЯ) InGaN/GaN обычно используют в качестве активных слоев GaN-светодиодов и лазеров благодаря их эффективной излучательной рекомбинации и способности излучения в широком спектральном диапазоне (видимая и ультрафиолетовая области спектра). Синие светодиоды на основе InGaN уже достигли внешней квантовой эффективности более 70%, но она значительно уменьшается в желто–зеленом диапазоне.
GaN/InGaN квантовые ямы до сих пор в основном выращиваются вдоль полярной (0001) кристаллографической ориентации, обусловливающей наличие интенсивного пьезоэлектрического поля (≈0,3–1,5 MВ/см). Индий сложнее встраивается на полярных плоскостях, чем на неполярных и полуполярных [1, 2].
Достижение высокой эффективности оптикоэлектронных приборов на основе GaN зависит от параметров внутреннего и внешнего квантовых выходов. Увеличения параметра внутреннего квантового выхода достигается уменьшением плотности дислокаций в слоях GaN, в то же время для увеличения внешнего квантового выхода используют подложки с определенным рисунком и шероховатостью поверхности. Высокая степень рассогласования решеток и коэффициентов теплового расширения между слоем GaN и подложкой при эпитаксиальном выращивании пленок приводит к большому количеству дислокаций (~109–1010 см-2), которые являются центрами безызлучательной рекомбинации и уменьшают внутренний квантовый выход светодиодов. Кроме того, в излучателях света, работающих на токах высокой плотности, прорастающие дислокации приводят к сокращению срока службы приборов. Таким образом, задача устранения прорастающих дислокаций является важным этапом на пути увеличения внутренней квантовой эффективности.
Экспериментальные и теоретические исследования показали, что использование низкоразмерных структур способствует уменьшению плотности дефектов, благодаря чему сокращается количество центров безызлучательной рекомбинации и увеличивается внутренний квантовый выход светодиодов GaN. Релаксация механических напряжений при трехмерном наноструктурировании также снижает напряжения, обусловленные пьезоэлектрическим эффектом и, следовательно, обеспечивает повышение внутреннего квантового выхода. Кроме того, потенциал нанофотоники привлекает внимание возможностью повышения внешнего квантового выхода посредством отражения света от периодических наноструктур [3].
Экспериментальная часть
Значительное снижение плотности прорастающих дислокаций (до ~107 см-2) на гетероэпитаксиальных структурах GaN обеспечивается с помощью ELOG-технологии [3]. При этом для достижения низкой плотности дефектов по всей площади пластины используется двухступенчатый процесс, который является достаточно сложным, дорогим и времязатратным.
Нами предложена малозатратная технология эпитаксии нитрида галлия на нанотемплатах с применением недорогих материалов на базе анодного оксида алюминия (АОА) для получения островково-сетчатых и столбиково-матричных наноструктур [4–6]. При этом получена плотнoсть дислокаций ~3×106 см-2 , определенная из диффузионной длины эпитаксиальных структур GaN (Ld ≈ 3,2 мкм). На основе этой технологии были сформированы наностержни нитрида галлия после прецизионной передачи рисунка гексагональных нанопор темплата АОА на SiO2 (рис.1). При этом слой SiO2 (0,1 мкм) наносился метдом плазмохимического осаждения, на нём формировался темплат АОА (диаметр пор ≈60нм), через который слой SiO2 травился в плазме CF4 с образованием массива нанопор и отжигался в атмосфере азота. После этого темплат АОА селективно стравливался в 5%-ной фосфорной кислоте. Последующее заращивание нитридом галлия образованного темплата SiO2 проводилось методом осаждения из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений при давлении 60 Торр и температуре 1010˚С, газноситель – азот. При исследовании сечений массивов полученных наностержней GaN методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЕМ) было установлено, что наностержни имеют вертикальные боковые стенки в порах маски SiO2, их высота определяется толщиной маски. Осаждение не было выше маски SiO2 из-за низкого коэфициента прилипания GaN к SiO2. В качестве источников галлия, индия и азота использовались триметил галлия (TMGa), триметил индия (TMIn) и аммиак, соответственно. Для удаления каких-либо поверхностных дефектов, вызванных плазменным травлением, наноструктурированные эпитаксиальные структуры отжигались в реакторе в атмосфере азота на протяжении 3 мин при 1020˚С. При температуре 755˚С выращивались четырехпериодные квантовые ямы InGaN/GaN на вершинах наностержней GaN и на "плоских" структурах (рис.1). Толщина ямы и барьера составляла ~25Å и 40Å, соответственно. Контраст ПЭМ-изображения показал резкую границу между InGaN и GaN, что характеризует достаточно хорошую однородность квантовых ям. При формировании МКЯ InGaN/GaN на фасетированных поверхностях наностержней GaN может также проходить образование массивов квантовых точек и наноколец GaN и InGaN.
При исследовании массивов наностерженей GaN методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было также установлено, что наностержни имеют вертикальные боковые стенки в порах маски SiO2. При этом их высота определяется толщиной маски. Осаждениянитрида галлия выше маски не наблюдалось из-за низкого коэффициента его прилипания к SiO2 (см. рис.1б).
На контрольных "плоских" нанотемплатах GaN (см. рис.1а) в одном цикле были также выращены четырехпериодные InGaN/GaN-МКЯ.
В данной работе были исследованы спектры фотолюминесценции эпитаксиальных структур с МКЯ GaN / InGaN на "планарных" GaN нанотемплатных слоях и на системе наностержней (б), представленных на рис.1. Измерения проводились на базе Центра коллективного пользования "Фемтосекундный лазерный комплекс" при Институте физики НАН Украины. На рис.2 приведена блок-схема экспериментальной установки.
Исследование спектров фотолюминесценции эпитаксиальных структур с четырехпериодными InGaN/GaN-МКЯ проводилось при температуре 20˚С (рис.3). В качестве источника возбуждения (см. рис.2) использовалось излучение третьей гармоники (ТГ) фемтосекундного лазера Mirra Optima 900-F, которое соответствовало длине волны 302 нм. Фемтосекундный лазер Mirra Optima 900-F генерировал последовательность импульсов на длине волны 906 нм длительностью 80 фс и частотой повторения 76 МГц при средней мощности 500 мВт. Пиковая интенсивность возбуждающих импульсов ТГ составляла 25 Вт/см2 при продолжительности импульсов больше 0,5 пс и средней мощности менее 1 мВт, при этом частота следования импульсов сохранялась неизменной. Регистрация фотолюминесценции проводилась спектрометром Action Spectra Pro 2500 с экспозицией 5 с с шагом 25 нм.
Как видно из рис.1а, эффективность излучения МКЯ "плоских" образцов на порядок ниже интенсивности структур на наностержнях GaN (рис.1б), что связано с сокращением числа центров безызлучательной рекомбинации за счет уменьшения плотности дислокаций, со снижением внутреннего отражения, а также, вероятно, с образованием массивов InGaN квантовых точек и наноколец на GaN-наностержнях. Кроме того, максимум излучения от МКЯ, выращенных на наностержнях, сдвинут на 67 нм в длинноволновую область (см. рис.3) по сравнению с контрольным "плоским" образцом из-за повышенной концентрации In в МКЯ. По-видимому, это связано с тем, что фасетированная поверхность GaN-наностержней может включать как неполярные, так и полуполярные плоскости. Активные области InGaN, сформированные на таких плоскостях, могут иметь пониженное пьезоэлектрическое поле [1, 2] и, следовательно, включать больше индия, так как деформации сжатия являются препятствием инкорпорирования атомов In в решетку InGaN.
Выводы
Продемонстрирована возможность эффективного роста GaN/InGaN МКЯ на наностержнях GaN методом газофазного осаждения с использованием металлоорганических соединений с возможностью формирования массивов квантовых точек GaN и InGaN и наноколец на наностержнях.
Исследование спектров фотолюминесценции показало, что массивы наностержней имеют ряд преимуществ перед обычными "плоскими" пленками, а именно:
возможность большей концентрации индия в твердом растворе;
увеличение экстракции света.
Следует отметить, что использование излучения фемтосекундного лазера в комбинации с генератором гармоник открывает возможность наблюдения спектров фотолюминесценции полупроводниковых гетероструктур в широком спектральном диапазоне.
Работа выполнена при поддержке Целевой комплексной программы исследований НАН Украины "Фундаментальные проблемы наноструктурных систем, наноматериалов, нанотехнологий" на 2010–2014 гг.
Литература
Sato H. et al. Optical properties of yellow light-emitting diodes grown onsemi-polar (11-22) bulk GaN substrates. – Applied Physics Letters, 2008, v.22, № 92, p. 382–388.
Sato H. et al. High power and high efficiency green light emitting diode on free-standing semipolar (11– 22) bulk GaN substrate. – Physica Status Solidi, 2007, v.1, №4, p.162–164.
Dong-Sing Wuu, Hsueh-Wei Wu, Shih-Ting Chen, Tsung-Yen Tsai, Xinhe Zheng, and Ray-Hua Horng. Defect reduction of laterally regrown gan. – Journal of Crystal Growth, 2009, v.311, №10.
Polyakov A.Y., Osinsky V. I., Gorokh G. G. et al. Nonpolar GaN grown on Si by hydride vapor phase epitaxy using anodized Al nanomask. – Appl. Phys. Let., 2009,v.94, №2.
Осинский В.И., Лабунов П.В., Горох Г.Г. и др. Темплетные слои для наногетероструктур Si/А3В5. – Электроника и связь. Тематический выпуск "Проблемы электроники", 2008, №1–2, ч.1, с. 70– 75.
Ляхова Н.О. Моделювання впливу темплетних розмірів на дисло-каційність наноструктур при селективній епітаксії ІІІ-нітридів. – Электроника и свіязь, 2011, №3, с.39.
GaN/InGaN квантовые ямы до сих пор в основном выращиваются вдоль полярной (0001) кристаллографической ориентации, обусловливающей наличие интенсивного пьезоэлектрического поля (≈0,3–1,5 MВ/см). Индий сложнее встраивается на полярных плоскостях, чем на неполярных и полуполярных [1, 2].
Достижение высокой эффективности оптикоэлектронных приборов на основе GaN зависит от параметров внутреннего и внешнего квантовых выходов. Увеличения параметра внутреннего квантового выхода достигается уменьшением плотности дислокаций в слоях GaN, в то же время для увеличения внешнего квантового выхода используют подложки с определенным рисунком и шероховатостью поверхности. Высокая степень рассогласования решеток и коэффициентов теплового расширения между слоем GaN и подложкой при эпитаксиальном выращивании пленок приводит к большому количеству дислокаций (~109–1010 см-2), которые являются центрами безызлучательной рекомбинации и уменьшают внутренний квантовый выход светодиодов. Кроме того, в излучателях света, работающих на токах высокой плотности, прорастающие дислокации приводят к сокращению срока службы приборов. Таким образом, задача устранения прорастающих дислокаций является важным этапом на пути увеличения внутренней квантовой эффективности.
Экспериментальные и теоретические исследования показали, что использование низкоразмерных структур способствует уменьшению плотности дефектов, благодаря чему сокращается количество центров безызлучательной рекомбинации и увеличивается внутренний квантовый выход светодиодов GaN. Релаксация механических напряжений при трехмерном наноструктурировании также снижает напряжения, обусловленные пьезоэлектрическим эффектом и, следовательно, обеспечивает повышение внутреннего квантового выхода. Кроме того, потенциал нанофотоники привлекает внимание возможностью повышения внешнего квантового выхода посредством отражения света от периодических наноструктур [3].
Экспериментальная часть
Значительное снижение плотности прорастающих дислокаций (до ~107 см-2) на гетероэпитаксиальных структурах GaN обеспечивается с помощью ELOG-технологии [3]. При этом для достижения низкой плотности дефектов по всей площади пластины используется двухступенчатый процесс, который является достаточно сложным, дорогим и времязатратным.
Нами предложена малозатратная технология эпитаксии нитрида галлия на нанотемплатах с применением недорогих материалов на базе анодного оксида алюминия (АОА) для получения островково-сетчатых и столбиково-матричных наноструктур [4–6]. При этом получена плотнoсть дислокаций ~3×106 см-2 , определенная из диффузионной длины эпитаксиальных структур GaN (Ld ≈ 3,2 мкм). На основе этой технологии были сформированы наностержни нитрида галлия после прецизионной передачи рисунка гексагональных нанопор темплата АОА на SiO2 (рис.1). При этом слой SiO2 (0,1 мкм) наносился метдом плазмохимического осаждения, на нём формировался темплат АОА (диаметр пор ≈60нм), через который слой SiO2 травился в плазме CF4 с образованием массива нанопор и отжигался в атмосфере азота. После этого темплат АОА селективно стравливался в 5%-ной фосфорной кислоте. Последующее заращивание нитридом галлия образованного темплата SiO2 проводилось методом осаждения из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений при давлении 60 Торр и температуре 1010˚С, газноситель – азот. При исследовании сечений массивов полученных наностержней GaN методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЕМ) было установлено, что наностержни имеют вертикальные боковые стенки в порах маски SiO2, их высота определяется толщиной маски. Осаждение не было выше маски SiO2 из-за низкого коэфициента прилипания GaN к SiO2. В качестве источников галлия, индия и азота использовались триметил галлия (TMGa), триметил индия (TMIn) и аммиак, соответственно. Для удаления каких-либо поверхностных дефектов, вызванных плазменным травлением, наноструктурированные эпитаксиальные структуры отжигались в реакторе в атмосфере азота на протяжении 3 мин при 1020˚С. При температуре 755˚С выращивались четырехпериодные квантовые ямы InGaN/GaN на вершинах наностержней GaN и на "плоских" структурах (рис.1). Толщина ямы и барьера составляла ~25Å и 40Å, соответственно. Контраст ПЭМ-изображения показал резкую границу между InGaN и GaN, что характеризует достаточно хорошую однородность квантовых ям. При формировании МКЯ InGaN/GaN на фасетированных поверхностях наностержней GaN может также проходить образование массивов квантовых точек и наноколец GaN и InGaN.
При исследовании массивов наностерженей GaN методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было также установлено, что наностержни имеют вертикальные боковые стенки в порах маски SiO2. При этом их высота определяется толщиной маски. Осаждениянитрида галлия выше маски не наблюдалось из-за низкого коэффициента его прилипания к SiO2 (см. рис.1б).
На контрольных "плоских" нанотемплатах GaN (см. рис.1а) в одном цикле были также выращены четырехпериодные InGaN/GaN-МКЯ.
В данной работе были исследованы спектры фотолюминесценции эпитаксиальных структур с МКЯ GaN / InGaN на "планарных" GaN нанотемплатных слоях и на системе наностержней (б), представленных на рис.1. Измерения проводились на базе Центра коллективного пользования "Фемтосекундный лазерный комплекс" при Институте физики НАН Украины. На рис.2 приведена блок-схема экспериментальной установки.
Исследование спектров фотолюминесценции эпитаксиальных структур с четырехпериодными InGaN/GaN-МКЯ проводилось при температуре 20˚С (рис.3). В качестве источника возбуждения (см. рис.2) использовалось излучение третьей гармоники (ТГ) фемтосекундного лазера Mirra Optima 900-F, которое соответствовало длине волны 302 нм. Фемтосекундный лазер Mirra Optima 900-F генерировал последовательность импульсов на длине волны 906 нм длительностью 80 фс и частотой повторения 76 МГц при средней мощности 500 мВт. Пиковая интенсивность возбуждающих импульсов ТГ составляла 25 Вт/см2 при продолжительности импульсов больше 0,5 пс и средней мощности менее 1 мВт, при этом частота следования импульсов сохранялась неизменной. Регистрация фотолюминесценции проводилась спектрометром Action Spectra Pro 2500 с экспозицией 5 с с шагом 25 нм.
Как видно из рис.1а, эффективность излучения МКЯ "плоских" образцов на порядок ниже интенсивности структур на наностержнях GaN (рис.1б), что связано с сокращением числа центров безызлучательной рекомбинации за счет уменьшения плотности дислокаций, со снижением внутреннего отражения, а также, вероятно, с образованием массивов InGaN квантовых точек и наноколец на GaN-наностержнях. Кроме того, максимум излучения от МКЯ, выращенных на наностержнях, сдвинут на 67 нм в длинноволновую область (см. рис.3) по сравнению с контрольным "плоским" образцом из-за повышенной концентрации In в МКЯ. По-видимому, это связано с тем, что фасетированная поверхность GaN-наностержней может включать как неполярные, так и полуполярные плоскости. Активные области InGaN, сформированные на таких плоскостях, могут иметь пониженное пьезоэлектрическое поле [1, 2] и, следовательно, включать больше индия, так как деформации сжатия являются препятствием инкорпорирования атомов In в решетку InGaN.
Выводы
Продемонстрирована возможность эффективного роста GaN/InGaN МКЯ на наностержнях GaN методом газофазного осаждения с использованием металлоорганических соединений с возможностью формирования массивов квантовых точек GaN и InGaN и наноколец на наностержнях.
Исследование спектров фотолюминесценции показало, что массивы наностержней имеют ряд преимуществ перед обычными "плоскими" пленками, а именно:
возможность большей концентрации индия в твердом растворе;
увеличение экстракции света.
Следует отметить, что использование излучения фемтосекундного лазера в комбинации с генератором гармоник открывает возможность наблюдения спектров фотолюминесценции полупроводниковых гетероструктур в широком спектральном диапазоне.
Работа выполнена при поддержке Целевой комплексной программы исследований НАН Украины "Фундаментальные проблемы наноструктурных систем, наноматериалов, нанотехнологий" на 2010–2014 гг.
Литература
Sato H. et al. Optical properties of yellow light-emitting diodes grown onsemi-polar (11-22) bulk GaN substrates. – Applied Physics Letters, 2008, v.22, № 92, p. 382–388.
Sato H. et al. High power and high efficiency green light emitting diode on free-standing semipolar (11– 22) bulk GaN substrate. – Physica Status Solidi, 2007, v.1, №4, p.162–164.
Dong-Sing Wuu, Hsueh-Wei Wu, Shih-Ting Chen, Tsung-Yen Tsai, Xinhe Zheng, and Ray-Hua Horng. Defect reduction of laterally regrown gan. – Journal of Crystal Growth, 2009, v.311, №10.
Polyakov A.Y., Osinsky V. I., Gorokh G. G. et al. Nonpolar GaN grown on Si by hydride vapor phase epitaxy using anodized Al nanomask. – Appl. Phys. Let., 2009,v.94, №2.
Осинский В.И., Лабунов П.В., Горох Г.Г. и др. Темплетные слои для наногетероструктур Si/А3В5. – Электроника и связь. Тематический выпуск "Проблемы электроники", 2008, №1–2, ч.1, с. 70– 75.
Ляхова Н.О. Моделювання впливу темплетних розмірів на дисло-каційність наноструктур при селективній епітаксії ІІІ-нітридів. – Электроника и свіязь, 2011, №3, с.39.
Отзывы читателей
