Carrier recombination in wide-band-gap nitride semiconductors ; Krūvininkų rekombinacija plačiatarpiuose nitridiniuose puslaidininkiuose

Karolis Šerpytis

Sujets

• Photoluminescence
• Physics
• Quantum well

Informations

• Publié par: vilnius_university
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 38
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

VILNIUS UNIVERSITY









J ūras Mickevi čius



CARRIER RECOMBINATION
IN WIDE-BAND-GAP NITRIDE SEMICONDUCTORS








Doctoral thesis
Physical Sciences, Physics (02 P), Semiconductor Physics (P 265)















Vilnius, 2009
The research work has been carried out in 2005-2009 at the Semiconductor
Physics Department and Institute of Applied Research, Vilnius University.







Scientific supervisor:
Prof. Habil. Dr. Gintautas Tamulaitis (Vilnius University, Physical
Sciences, Physics 02 P, Semiconductor Physics P 265)




VILNIAUS UNIVERSITETAS









J ūras Mickevi čius



KR ŪVININK Ų REKOMBINACIJA
PLA ČIATARPIUOSE NITRIDINIUOSE PUSLAIDININKIUOSE








Daktaro disertacija
Fiziniai mokslai, fizika (02 P), puslaidininki ų fizika (P 265)















Vilnius, 2009
Disertacija rengta 2005-2009 metais Vilniaus universiteto Puslaidininki ų
fizikos katedroje bei Taikom ųj ų moksl ų institute.







Mokslinis vadovas:
Prof. Habil. Dr. Gintautas Tamulaitis (Vilniaus universitetas, fiziniai
mokslai, fizika – 02 P, puslaidininki ų fizika – P 265)



Rezium ė

III-grup ės nitridiniai puslaidininkiai yra pla čiai tyrin ėjami pastaruosius du
dešimtme čius. Tok į didel į susidom ėjim ą l ėm ė svarb ūs praktiniai nitridini ų
puslaidininki ų taikymai optoelektronikoje, ypa č gaminant šviesos šaltinius,
spinduliuojan čius m ėlynojoje ir ultravioletin ėje spektro srityse bei saul ės
neakinamus fotojutiklius.
Šiuo metu InGaN jungini ų pagrindu sukurti m ėlyni šviestukai jau
gaminami masiniu b ūdu, o pagrindinis mokslini ų tyrim ų d ėmesys krypsta link
ultravioletin ėje spektrin ėje srityje veikian či ų optoelektronini ų prietais ų.
Nepaisant dideli ų pastang ų, tebelieka neišspr ęsta nemažai fundamentini ų
problem ų, susijusi ų su nepusiausvyr ųj ų kr ūvinink ų spinduline bei nespinduline
rekombinacija, lokalizacijos bei vidinio elektrinio lauko įtaka kr ūvinink ų
rekombinacijos dinamikai.
Šis darbas yra skirtas eksiton ų bei kr ūvinink ų rekombinacijos dinamikos
tyrimams pla čiatarpiuose GaN ir AlGaN junginiuose pla čiose temperat ūros bei
žadinimo galios tankio ribose. Nepusiausvir ųj ų kr ūvinink ų dinamikai tirti buvo
naudojami fotoliuminescencijos ir fotoliuminescencijos su laikine skyra
spektroskopiniai metodai, taip pat šviesa indukuot ų dinamini ų gardeli ų bei
liuminescencijos gesimo trukm ės matavim ų su dažnine skyra metodikos. Keli ų
skirting ų eksperimentini ų metodik ų naudojimas tiriant t ą pat į objekt ą leido
išpl ėsti matavim ų ribas bei susieti skirtingus medžiagos parametrus, šitaip
giliau atskleidžiant kr ūvinink ų dinamikos medžiagoje ypatumus.
Tyrin ėjant GaN epitaksinius sluoksnius, buvo nagrin ėjamos kelios
problemos. Pasteb ėta koreliacija tarp geltonosios liuminescencijos juostos
intensyvumo ir kr ūvinink ų gyvavimo trukm ės leidžia susieti geltonosios
liuminescencijos juost ą su strukt ūriniais medžiagos defektais: teigiame, kad
dislokacij ų ir priemaiš ų sudaryti kompleksai s ąlygoja tiek spindulin ę, tiek
nespindulin ę rekombinacij ą. Kr ūvinink ų dinamika GaN sluoksniuose buvo
vtiriama, esant dviem ribiniams sužadinim ų atvejams – labai žem ų ir aukšt ų.
Aukšt ų sužadinim ų atveju buvo pasi ūlytas naujas liuminescencijos gesimo
interpretavimo metodas – gesimo kinetikos aprašymas bieksponentine funkcija,
kurios charakteringos trukm ės yra lygios kr ūvinink ų gyvavimo trukmei,
nustatytai dinamini ų gardeli ų metodika, bei pusei jos. Buvo parodyta, kad
panašios kokyb ės GaN bandiniuose didesnis kr ūvinink ų judrumas s ąlygoja
mažesn ę gyvavimo trukm ę, kadangi kr ūvininkai grei čiau pasiekia prie
dislokacij ų esan čius nespindulin ės rekombinacijos centrus. Buvo nustatytos
aukštos optinio stiprinimo koeficiento vert ės GaN sluoksniuose bei aptarti
eksperimentin ės kintamo ilgio juostel ės metodikos ypatumai. Kr ūvinink ų
dinamikos labai žem ų sužadinim ų s ąlygomis tyrimai atskleid ė skirting ų
rekombinacijos mechanizm ų konkurencij ą.
AlGaN sluoksni ų su skirtinga aliuminio koncentracija tyrimai parod ė, kad
ir AlGaN sluoksniuose kr ūvinink ų gyvavimo trukm ė yra nulemta kr ūvinink ų
difuzijos link dislokacij ų, kur įvyksta nespindulin ė rekombinacija. Tuo tarpu
spindulin ės rekombinacijos sparta priklauso nuo aliuminio koncentracijos
sluoksnyje, ta čiau yra pastovi, esant tai pa čiai AlGaN sluoksnio sud ėčiai, bet
skirtingam dislokacij ų tankiui jame. Buvo atliktas dviej ų tos pa čios sud ėties
sluoksni ų, augint ų skirtingomis technologijomis, palyginimas, lyginant
kr ūvinink ų gyvavimo trukmes bei juostos potencialo fliuktuacij ų profil į.
Potencialo fliuktuacij ų profilis buvo įvertintas, naudojant eksiton ų šokavimo
Monte Karlo modeliavim ą ir jo rezultatus tapatinant su eksperimentiniais
duomenimis. Modeliavimas parod ė, kad juostos potencialo fliuktuacij ų profilis
nepriklauso nuo auginimo technologijos, o kr ūvinink ų gyvavimo trukm ės
skirtumas yra nulemtas vien tik nespindulin ės rekombinacijos centr ų tankio
skirtumo.
Kr ūvinink ų dinamikos daugialakšt ėse AlGaN/AlGaN kvantin ėse duob ėse
tyrimai atskleid ė stipri ą vidinio elektrinio lauko ekranavimo bei kr ūvinink ų
lokalizacijos įtak ą. Buvo atskirti ši ų proces ų ind ėliai į liuminescencijos gesimo
spart ą. Parodyta lokalizacijos įtaka kr ūvinink ų gyvavimo trukm ės
priklausomybei nuo kvantin ės duob ės plo čio.
vi
Acknowledgments

I would like to thank my supervisor Prof. Gintautas Tamulaitis for the shown
trust and given opportunity to work in the field of III-nitrides.
Also I wish to thank Prof. Art ūras Žukauskas for the possibility to do the
research work in the Institute of Applied Research.
I acknowledge doctors Karolis Kazlauskas and Ram ūnas Aleksiej ūnas for
valuable advices and sharing their experience on measurement equipment and
experimental techniques.
My best thanks to all my colleagues for help and friendly atmosphere at the
Institute.
Finally, I would like to thank my family and girlfriend for their
encouragement, care and support in my everyday life.

This work has been supported by the Lithuanian State Science and Study
Foundation.
viiTable of Contents
List of abbreviations.................................................................................... x
Introduction.......................................................... 1
List of publications related to the thesis............................................... 7
1. III-nitride material properties and device issues......................... 12
1.1. Basic properties of nitride materials.............................................. 12
1.1.1. Growth issues..................................................................... 12
1.1.2. The crystal structure of nitrides......................................... 15
1.1.3. Electronic band structure of nitrides.................................. 16
1.1.4. Internal field in nitride heterostructures............................. 19
1.2. Yellow band in GaN...................................................................... 21
1.3. Stimulated emission and optical gain in GaN............................... 23
1.4. Carrier dynamics in GaN............................................................... 25
1.5. Optical properties of AlGaN epilayers and structures.................. 28
312. Experimental setup.............................................................................
2.1. Steady- and quasi-steady-state photoluminescence spectroscopy 31
2.2. Setup for time-resolved PL study under high excitation............... 33
2.3. Light-induced transient grating technique..................................... 35
2.4. Luminescence lifetime measurements in frequency domain........ 38
423. Carrier dynamics in GaN epilayers................................................
3.1. Correlation between yellow luminescence intensity and carrier
lifetimes in GaN epilayers.................................................................... 42
3.2. Investigations of nonequilibrium carrier dynamics in GaN

epilayers................................................................................................ 47
3.2.1. Carrier dynamics under high excitation conditions........... 47
3.2.2. Carrier dynamics under extremely low excitation............. 54
3.3. Saturated gain in GaN epilayers studied by variable stripe length
technique............................................................................................... 61
3.4. Short summary.............................................................................. 70
724. Carrier dynamics in AlGaN epilayers............................................
4.1. Lifetime of nonequilibrium carriers in high-Al-content AlGaN
epilaye