В настоящее время полупроводниковые низкоразмерные структуры широко используются для создания полупроводниковых светоизлучающих приборов и полевых транзисторов с высокой подвижностью. В таких структурах свободные носители заряда локализуются в активной зоне, что значительно снижает вероятность их рассеяния и кардинально повышает эффективность излучательной рекомбинации по сравнению с объемным полупроводником. Кроме того понижение размерности сопровождается появлением особенностей на энергетической зависимости плотности состояний – в виде ступенек для двумерных (2D) систем и пикообразных для одномерных (1D) и нульмерных (0D) (рис.1).
Рис.1 Качественное изменение плотности состояний в 3D, 2D, 1D и oD системах
Дислокации – это линейные дефекты структуры, которые отвечают за пластические свойства кристаллов. В полупроводниках они могут создавать уровни и/или подзоны в запрещенной зоне [1]. При отсутствии оборванных связей в ядре чистые дислокации создают только мелкие одномерные зоны, которые могут связывать экситоны [2] и приводить к повышенной электропроводности квазиодномерного типа [3].
Нитрид галлия (GaN) – широкозонный полупроводник (3.4эВ), который является основным материалом для изготовления полупроводниковых источников излучения видимого и ультрафиолетового диапазонов [4]. Однако современные технологии не позволяют получать совершенные кристаллы GaN и они обычно содержат ростовые дислокации с плотностью не меньше 10^5 см^-2. Ростовые дислокации будучи эффективными геттерами примесей и точечных дефектов оказываются ими задекорированы в процессе роста. Последние создают глубокие уровни в запрещенной зоне и поэтому ростовые дислокации являются центрами преимущественно безызлучательной рекомбинации, которые ограничивают эффективность светоизлучающих приборов на основе нитрида галлия [5]. Именно поэтому устоялось мнение, что любые дислокации в нитриде галлия могут играть только вредную роль. В настоящем проекте объектом исследований являются чистые, недекорированные примесями свежевведенные дислокации. Чистые дислокации можно вводить в кристаллы посредством механического воздействия различного типа (царапанье или индентирование поверхности, сжатие или изгиб объемного образца), воздействия лазером или электронным пучком.
Недавно 3 группы независимо друг от друга сообщили [6-9] о наблюдении интенсивной катодолюминесценции от свежевведенных а-винтовых дислокаций в GaN. Спектральное положение дислокационного излучения (ДИ) изменялось для разных типов образцов. В низкоомных образцах максимум ДИ находился в диапазоне энергий 3.1-3.2 эВ [7,9] (рис.2) и ДИ наблюдалось при комнатной температуре, в то время как в полуизолирующих образцах GaN максимум находился в диапазоне 3.3 эВ, и ДИ не регистрировалось при температурах выше 200 К. Было сделано предположение, что причиной расхождения в спектральном положение ДИ в кристаллах с различной проводимостью может быть различное строением ядер дислокаций одного и того же типа. В полуизолирующих кристаллах GaN винтовые дислокации в базисной плоскости являются совершенными, а в низкоомных — расщепленными [7].
Рис.2 Слева — изображение отпечатка индентора во вторичных электронах,
справа — монохроматическая катодолюминесцентная карта, записанная для энергии квантов света 3.18 эВ при Т = 70 К. Белые прямые линии — свежевведенные а-винтовые дислокации.
На данный период времени наша исследовательская группа сосредоточена на 3 аспектах ДИ в GaN: 1) оптические свойства дислокаций и их реакций друг с другом, исследуемые методом катодолюминесценции в широком температурном диапазоне; 2) электрические свойства, исследуемые следующими методами — токи наведенные электронным лучом (EBIC), вольт-фарадные характеристики и нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней; 3) структурные свойства, изучаемые методами просвечивающей электронной микроскопии.
Список литературы:
- Hirth J., Lothe J, Theory of Dislocations, John Wiley & Sons, Inc., 1982.
- Kveder, V. and M. Kittler, Dislocations in Silicon and D-Band Luminescence for Infrared Light Emitters. Solid State Phenomena, 2008. 590: p. 29-56.
- Reiche, M., et al., On the electronic properties of a single dislocation. Journal of Applied Physics 2014. 115(19): p. 194303.
- Nakamura, S., et al., Room-temperature continuous-wave operation of InGaN multi-quantum-well-structure laser diodes with a long lifetime. Applied Physics Letters, 1997. 70(7): p. 868-868.
- Albrecht, M., et al., Nonradiative recombination at threading dislocations in n-type GaN: Studied by cathodoluminescence and defect selective etching. Applied Physics Letters, 2008. 92(23): p. 231909-231909.
- O. Medvedev, O. Vyvenko, A. Bondarenko, and V. Voronenkov, Direct observation of luminescence of individual screw dislocations in GaN, in 12th international workshop on Beam Injection Assessment of Microstructures in Semiconductors, 2014, p. MoA4.
- O. S. Medvedev, O. F. Vyvenko, and A. S. Bondarenko, On the luminescence of freshly introduced a-screw dislocations in low-resistance GaN, Semiconductors, vol. 49, no. 9, pp. 1181 – 1186, 2015.
- M. Albrecht, L. Lymperakis, and О. Neugebauer, Origin of the unusually strong luminescence of a -type screw dislocations in GaN, Phys. Rev. B, vol. 241201, no. 90, pp. 1–4, 2014.
- J. Huang, K. Xu, Y. M. Fan, J. F. Wang, J. C. Zhang, and G. Q. Ren, Dislocation luminescence in GaN single crystals under nanoindentation, Nanoscale Res. Lett., vol. 9, no. 649, 2014.
