Влияние состава на люминесцентные свойства твердых растворов в системе SIС-ALN

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние состава на люминесцентные свойства твердых растворов в системе SIС-ALN

Исследование оптических свойств ЭС твердых растворов (SiС)1-x(AlN)x. Влияние количества примеси AlN на твердые растворы (SiС)1-x(AlN)x, при исследовании люминесцентных свойств, изменение спектра КЛ. Спектры КЛ твердых растворов (SiС)1-x(AlN)x, связанные с рекомбинацией на дефектах и донорно - акцепторных парах, смещаются в коротковолновую область с изменением состава, а структура полос свидетельствует о возрастании дефектности. При большой концентрации AlN, спектр излучения сместится в ультрафиолетовую область, чтоделает твердые растворы (SiС)1-x(AlN)x весьма перспективными для создания инжекционных лазеров в этом интервале длин волн.

Исследование спектров катодолюминесценции (КЛ) твердых растворов на основе SiC позволяет оценить многие важнейшие свойства этих материалов. Особенно это касается широкозонных материалов, для которых необходимы большие энергии для возбуждения краевой и примесной люминесценции. Для исследования люминесцентных свойств использована стандартная методика измерений, описанная во многих работах. Спектры катодолюминесценции исследовались при температуре жидкого азота и энергиях возбуждения 15 кВ.

Исследованию оптических свойств эпитаксиальных слоев твердых растворов (SiС)1-x(AlN)xпосвящен ряд работ [1 - 4]. В них рассматривается оптическое поглощение, фотолюминесценция и влияние нанее лазерного отжига твердых растворов. Что касается катодолюминесценции, то приводится лишь один спектр для х = 0,075, хотя с помощью КЛ можно получить более полную информацию о различных областях спектра, в частности, об ультрафиолете.

Во всех исследованных спектрах КЛ сохраняются характерные для гетероэпитаксиалъного слоя (ГЭС) полосы, что позволяет сделать вывод об одинаковой природе наблюдаемого излучения. Максимумы, соответствующие SiC, являются более четкими, интенсивность полос выше. Одна ветвь уходит в ультрафиолетовую область. С течение времени цвет излучения меняется, сдвигается в длинноволновую область. Природа этого не ясна, вероятно, обусловлена особенностями технологии.

На рис.1 приведены спектры КЛ с небольшим содержанием нитрида алюминия (0,39 и 2,13%). При таком количестве AlN, вероятно, примесь распределяется случайным образом в карбиде кремния, и создает в запрещенной зоне дискретные энергетические уровни, являющиеся рекомбинационными ловушками. При содержании AlN порядка 0,4 мол.% положение максимума спектра соответствует подложке 6Н - SiC (N2). На спектрке КЛ заметен экситон с энергией близкой к ширине запрещенной зоны 6Н карбида кремния ( 2,28 эВ). При больших составах спектр представляет полосу, характерную для карбида кремния, легированного алюминием (сине - голубая с ~ 450 нм).

Рис.1. Спектры КЛ твердых растворов (SiС)1-x(AlN)x с небольшим содержанием нитрида алюминия.

Cпектры КЛ для твердых растворов (SiС)1-x(AlN)x большего состава приведены на рис 2. Из сравнения спектров можно видеть, что во всех случаях наблюдаются основные полосы, которые различаются по интенсивности. При х 0,1 в спектрах КЛ наблюдаются 2 основные полосы. Положение первого пика («дефектная» люминесценция) с л = 520 нм (h 2,4 эВ) практически не меняется. Интенсивность второй полосы с л = 480 нм (h 2,6 эВ) растет (за эту (синюю) полосу люминесценции ответственны ДАП азот - алюминий и одиночные атомы Al). При больших составах в ультрафиолете обозначается третий пик с л = 390 нм (h 3,2 эВ), который, вероятно, и связан с образующимися твердыми растворами составами в системе SiC - AlN.

Рис.2. Спектры катодолюминесценции ЭС твердых растворов (SiС)1-x(AlN)xдля различных значений х

В процессе проведенных исследований наблюдали следующее явление: при длительном воздействии пучка электронов цвет свечения изменялся (сдвигался в длинноволновую область). Цвет свечения изменяется от желто - зеленого (кривая 1) к сине - голубому (кривая 3), а при больших х даже к сиреневому.

Вероятно, происходит следующее: под действием электронного пучка увеличивается концентрация дефектов, которые создают дополнительные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Именно они и являются центрами излучательной и безизлучательной рекомбинации, приводящие к сдвигу спектров излучения и меняющим его цвет.

Известно, что заметный вклад в люминесценцию могут вносить межзонные переходы только в материалах с прямой структурой зон. Из [5] известно, что и SiC и твердый раствор на его основе (SiС)1-x(AlN)x вплоть до х ~ 0,75 являются непрямозонными. Поэтому можно предположить, что в нашем случае основными центрами эффективной люминесценции, согласно [6] являются донорно - акцепторные пары (ДАП) и одиночные акцепторные атомы (не считая центров, создаваемых радиационным облучением). Причем за синюю полосу люминесценции ответственны ДАП азот - алюминий и одиночные атомы Al.

Энергия, соответствующая длинноволновому максимуму КЛ, несколько меньше ширины запрещенной зоны SiC. По - видимому, излучательная рекомбинация в этом случае не связана с межзонными переходами, а определяется переходами зона - уровень, либо представляет собой зеленую полосу дефектной люминесценции [7], которая возникает вследствие излучательной рекомбинации экситонного типа через точечный комплекс чисто дефектной природы, в котором одной из компонент, наиболее вероятно, является углеродная вакансия.

Появление такой полосы в спектре твердых растворов (SiС)1-x(AlN)xвполне закономерно. Известно, что с ростом содержания нитрида алюминия в твердом растворе растет дефектность и неоднородность кристаллической структуры твердого раствора [5], так как параметры решеток исходных компонентов твердого раствора SiС и AlN различаются достаточно сильно.

В нашем случае твердый раствор содержит как минимум две группы центров, способных захватывать носители заряда противоположного знака. Т.к. концентрация их при больших составах х достаточно велика, то межпримесные расстояния сравнительно малы и излучательная рекомбинация может идти за счет межпримесных переходов. В этом случае излучательная рекомбинация осуществляется через донорно - акцепторные пары (ДАП) алюминий - азот и при достаточно низких температурах такая рекомбинация является единственным значительным релаксационным процессом. Вероятно, именно этот процесс и определяет возникновение второго пика на спектрах КЛ.

При х ~ 0,51 на спектрах КЛ обозначается третий пик в ультрафиолетовой области, появление которого связано с изменением структуры запрещенной зоны. Поскольку в полупроводниках с непрямой структурой зон, каковым и являются SiС и твердые растворы (SiС)1-x(AlN)x вплоть до х ~ 0,7, конкурирующие процессы безизлучательной рекомбинации при прочих разных условиях будут оказывать значительно большое влияние на люминесценцию, то становится ясна природа этого пика. По - видимому, это связано с уменьшением энергетического зазора между прямым и непрямым минимумами зоны проводимости по мере приближения к точке перехода к прямозонному состоянию, и, с вытекающими отсюда "эффектами зонной структуры", проявлявшимися в оптических свойствах твердых растворов с непрямой структурой. По мере приближения к точке перехода к прямозонной структуре роль процессов безизлучательной рекомбинации будет уменьшаться, в свою очередь растет вероятность прямых переходов зона - зона, что и объясняет возникновение третьего пика в ультрафиолетовой области спектра КЛ.

Сравнение спектров КЛ твердых растворов в системе SiC - AlN больших составов (рис.3) особенно наглядно демонстрирует структурные изменения в них. Максимум спектра смещается в коротковолновую область. Спектр КЛ для твердого раствора как бы «размывается», увеличивается полуширина, и уменьшается интенсивность, хотя основная структура сохраняется. Полоса, связанная с ДАП сглаживается, не такая интенсивная, но образует достаточно широкую ступеньку. Зато в ультрафиолете ( 400 нм) появляется всплеск, свидетельствующий об изменениях в структуре энергетических зон (либо переходы с участием экситонов, либо глубоких примесных уровней).

Все это, предположительно, свидетельствует в пользу перехода от случайного распределения входящего в карбид кремния второго компонента (AlN) к постепенному упорядочению структуры, с одной стороны, и росту дефектности структуры, с другой стороны. Такая закономерность наблюдается и во многочисленных исследованиях структуры и других свойств твердых растворов, проведенных в последние десятилетия.

Рис.3. Спектры катодолюминесценции ЭС твердых растворов (SiС)1-x(AlN)xдля больших составов

В итоге проделанной работы можно заключить, что спектры КЛ твердых растворов (SiС)1-x(AlN)x, связанные с рекомбинацией на дефектах и донорно-акцепторных парах, смещаются в коротковолновую область с изменением состава, а структура полос свидетельствует о возрастании дефектности. Вероятно, при больших концентрациях AlN, когда твердый раствор становится прямозонным [5], спектр излучения сместится в ультрафиолетовую область, что делает твердые растворы (SiС)1-x(AlN)x весьма перспективными для создания инжекционных лазеров в этом интервале длин волн.

Литература

люминесцентный раствор лазер

1.Нурмагомедов Ш.А., Сафаралиев Г.К. и др. /Особенности получения эпитаксиальных слоев твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x.// Известия АН. СССР, сер. Неорганические материалы, 1986, Т.22. N10. С. 1672-1674.

2.Абдуев А.Х., Атаев Б.Н., Курбанов М.К., Сафаралиев Г.К. и др. /Управляемое изменение люминесцентных свойств твердых растворов на основе SiC. //Письма в ЖТФ. Т. 14, В. 12, 1988. С. 1095-1098.

3.Rutz R.F./Epitaxial crystal fabrication of SiC - AIN// US pat. № 4 382 837, 1983.

4.Сафаралиев Г.К., Билалов Б.А., Курбанов М.К. и др /Спектр оптического пропускания твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x//Тезисы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто - и наноэектроника», Махачкала ,5 - 8 ноября 2009 г.,С.65.

5.Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. / Широкозонные твердые растворы (SiC)1-x(AlN)x. //Физика и техника полупроводников, 1991, т.25, вып.8, С.1437 - 1446.

6.Водаков Ю.А., Ломакина Г.А., Мохов Е.Н., Одинг В.Г., Семенов В.В., Соколов В.,И./ Современные представления о полупроводниковых свойствах карбида кремния// В сб. "Проблемы физики и технологии широкозонных полупроводников", Ленинград: Издательство ЛИЯФ, 1979, С.164 - 184.

7.Водаков Ю.А., Ломакина Г.А., Мохов Е.Н./ Эффективность различных полос люминесценции в карбиде кремнии и ее связь с температурой приготовления образцов и состоянием собственных дефектов в них.// В сб.: Широкозонные полупроводники, Махачкала, Изд. ДГУ им. В.И. Ленина, 1988, С.23 - 33.

Размещено на Allbest.ru