Рубрика: Катодолюминесценция

Катодолюминесценция углеродсодержащих дефектов в гексагональном нитриде бора

В УФ области спектра люминесценции гексагонального нитрида бора присутствует полоса с максимумом около 4.1 эВ, связываемая с точечными дефектами, которые могут играть роль источников одиночных фотонов. В ряде работ, как теоретических, так и экспериментальных, было показано, что данная полоса может быть связана с примесью углерода. На основании этого факта в нашей лаборатории было предложено использовать локальное осаждение углеродсодержащего материала на поверхность нитрида бора для внедрения примеси углерода посредством диффузии с поверхности.

В результате локального осаждения индуцированного электронным пучком, было получено увеличение интенсивности полосы люминесценции с максимумом 4.1 эВ, причем это усиление люминесценции наблюдалось только в области, подвергнутой локальному осаждению углерода. Полученные результаты подтверждают перспективность метода локального осаждения электронным пучком для создания точечных источников излучения. Подробности эксперимента опубликованы в нашей работе:

.

Люминесценция гексагонального нитрида бора

Гексагональный нитрид бора (h-BN) является одним из перспективных материалов для создания источников одиночных фотонов, играющих ключевую роль в квантовой информатике и криптографии. Такие источники могут быть получены посредством управляемого внедрения отдельных точечных дефектов в данный материал. 

В спектре люминесценции гексагонального нитрида бора наблюдаются полосы в видимом диапазоне с максимумами около 2 эВ и 4.1 эВ, связанные с точечными дефектами, а также полоса с максимумом около 5.8 эВ, соответствующая зона-зонным переходам. Все перечисленные полосы содержат основной пик и несколько фононных повторений, которые хорошо разрешаются при низких температурах.

Полосы, связанные с точечными дефектами, представляются перспективными для дальнейшего использования в однофотонных источниках. Для управляемого внедрения соответствующих точечных дефектов могут применяться методы локального облучения сфокусированным электронным или ионным пучком, а также внедрение примеси из осаждаемого электронным пучком слоя.

Дислокационное излучение в нитриде галлия

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).
Density of state

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].Secondary electron and cathodoluminescence images

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:

  1. Hirth J., Lothe J, Theory of Dislocations, John Wiley & Sons, Inc., 1982.
  2. Kveder, V. and M. Kittler, Dislocations in Silicon and D-Band Luminescence for Infrared Light Emitters. Solid State Phenomena, 2008. 590: p. 29-56.
  3. Reiche, M., et al., On the electronic properties of a single dislocation. Journal of Applied Physics 2014. 115(19): p. 194303.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.