Investigation of carrier dynamics in wide bandgap semiconductors by light-induced transient grating technique ; Krūvininkų dinamikos tyrimas plačiatarpiuose puslaidininkiuose šviesa indukuotų dinaminių gardelių metodu

Tadas

Sujets

• Diamond
• Gan
• Ingan
• Physics

Informations

• Publié par: vilnius_university
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 108
• Langue: Lithuanian
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

VILNIUS UNIVERSITY





Tadas Malinauskas



INVESTIGATION OF CARRIER DYNAMICS IN WIDE BANDGAP
SEMICONDUCTORS BY LIGHT-INDUCED TRANSIENT GRATING
TECHNIQUE



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










Vilnius, 2009 Dissertation was prepared at the Institute Applied Research, Vilnius University
in 2005 – 2009.


Scientific Supervisor:
Prof. Dr. Habil. Kęstutis Jarašiūnas (Vilnius University, Physical Sciences,
Physics – 02P, Semiconductor Physics (P 265)).

VILNIAUS UNIVERSITETAS





Tadas Malinauskas



KRŪVININKŲ DINAMIKOS TYRIMAS PLAČIATARPIUOSE
PUSLAIDININKIUOSE ŠVIESA INDUKUOTŲ DINAMINIŲ
GARDELIŲ METODU



Daktaro disertacija
Fiziniai mokslai, fizika (02P), puslaidininkių fizika (P 265)









Vilnius, 2009
Disertacija rengta 2005 – 2009 metais Vilniaus universitete, Taikomųjų mokslų
institute.


Mokslinis vadovas:
prof. habil. dr. Kęstutis Jarašiūnas (Vilniaus universitetas, fiziniai mokslai,
fizika, – 02P, puslaidininkių fizika (P 265)).



Rezium÷
III grup÷s nitridai bei deimantai tai platų draustin÷s energijos tarpą
turintys puslaidininkiai, pasižymintys unikaliomis medžiagos savyb÷mis ir
turintys didelį potencialą aukštų temperatūrų, didelių galių,
opto/elektroniniams taikymams. Tod÷l šių medžiagų elektrin÷s bei optin÷s
savyb÷s pastaruoju metu yra intensyviai tiriamos. Šviesa indukuotų dinaminių
gardelių (ŠIDG) metodas labai tinka tyrin÷ti krūvininkų dinamiką, kuri yra
nulemta fundamentinių bei defektinių medžiagos savybių.
Pagrindiniai darbo tikslai buvo gauti naujų žinių apie krūvininkų
dinamiką plačiatarpiuose puslaidininkiuose (GaN, InGaN bei deimantuose)
naudojat bei pl÷tojant šviesa indukuotų gardelių metodiką. Ištirti didelio
nepusiausvirųjų krūvininkų tankio rekombinacijos ir difuzijos ypatumus
skirtingo defektiškumo GaN, InGaN sluoksniuose bei sintetiniuose
deimantuose. Skaitmeniškai modeliuojant krūvininkų dinamiką nustatyti
dominuojančius krūvininkų rekombinacijos mechanizmus bei krūvininkų
gyvavimo trukmes, difuzijos koeficientus ir nuotolius.
Darbe pristatoma nauja ŠIDG eksperimento schema su holografiniu
pluoštelio dalikliu, leidžianti supaprastinti eksperimentą. Ši schema taip pat
įgalino heterodininį difrakcijos signalo detektavimą. Parodoma, kad faz÷s
skirtumas tarp signalo ir fonin÷s šviesos gali būti kontroliuojamas keičiant
holografinio daliklio pad÷tį išilgai jo gardel÷s vektoriaus krypties.
Ištyrus didelį kiekį GaN sluoksnių, užaugintų skirtingomis
technologijomis bei pasižyminčiu skirtingu dislokacijų tankiu, buvo nustatyti
dominuojantys krūvininkų rekombinacijos mechanizmai. Parodoma, kad
dislokacijų sąlygota nespindulin÷ rekombinacija dominuoja bandiniuose su
8 -2
dislokacijų tankiu didesniu nei 10 cm , esant mažesniems dislokacijų
tankiams krūvininkų gyvavimo trukmę lemia bimolekulin÷ rekombinacija.
Atlikę ŠIDG tyrimus GaN sluoksniuose žemose temperatūrose bei krūvininkų
dinamikos modeliavimą tiesiogiai nustat÷me bimolekulin÷s rekombinacijos
koeficientą plačiame temperatūrų intervale T = 9–300 K.
5
Eksperimentiškai nustatytas žymus (~3 kartus) krūvininkų difuzijos
koeficiento padid÷jimas didinant nepusiausvirųjų krūvininkų tankį GaN.
Naudojant krūvininkų netiesin÷s dinamikos modeliavimą buvo patvirtinta, kad
difuzijos koeficiento did÷jimas yra sukeltas Fermi sl÷gio išsigimusioje
krūvininkų plazmoje. Modelis buvo patvirtintas difuzijos koeficiento
matavimais žemose temperatūroje.
Darbe parodyta, kad ŠIDG ir fotoliuminescencijos kinetikos storuose ir
ilgą krūvininkų rekombinacijos trukmę turinčiuose GaN sluoksniuose yra
skirtingos. Fotoliuminescencijos kinetikų pagreit÷jimą lemia krūvininkų
difuzijos į gylį nulemtas krūvininkų tankio maž÷jimas. Difuzija į gylį neįtakoja
ŠIDG kinetikų, tod÷l jos tiksliau parodo krūvininkų gyvavimo trukmę ir yra
lengviau interpretuojamos.
ŠIDG tyrimai InGaN sluoksniuose parod÷, kad In segregacija lokalizuoja
krūvininkus taip mažindama jų difuzijos koeficientą, bei ilgindama krūvininkų
rekombinacijos trukmę. Parodoma, kad InGaN kvantin÷se duob÷se
bimolekulin÷ krūvininkų rekombinacija yra dominuojantis mechanizmas, o
Ož÷ rekombinacija tirtame temperatūrų ( 9–300 K) ruože n÷ra stebima.
Pirmą kartą optiniu būdu nustatytos krūvininkų difuzijos koeficiento
vert÷s sintetiniuose deimantuose. Krūvininkų rekombinacijos trukmių bei azoto
priemaišų kiekio koreliacija parod÷, kad su azotu susietos priemaišos yra
pagrindiniai rekombinacijos centrai. Nustatyta, kad kambario temperatūroje
deimanto monokristalams būdinga krūvininkų difuzijos koeficiento vert÷ yra
2
D = 9,7 ± 0,5 cm /s. a


6
Table of content
Introduction.........................................................................................................8
1. Time resolved studies of wide bandgap semiconductors..............................18
1.1. Exciton and free carrier dynamics in GaN....................................................... 18
1.2. Time resolved studies in InGaN....................................................................... 23
1.3 Time resolved studies in diamonds ................................................................... 25
2. Light-induced transient grating technique ....................................................27
2.1. Grating recording and optical nonlinearities.................................................... 27
2.2. Diffraction - grating detection.......................................................................... 30
2.3. Grating dynamics.............................................................................................. 32
3. Experimental setup and heterodyne detection scheme for light induced
transient grating ................................................................................................38
3.1. Standard LITG experimental setup .................................................................. 38
3.2. Heterodyne detection scheme for light induced transient grating experiment 40
3.3. Summary........................................................................................................... 48
4. Carrier dynamics in GaN ..............................................................................49
4.1. Contribution of dislocations to carrier recombination..................................... 49
4.1.1 Investigation of GaN layers grown on sapphire substrates....................... 50
4.1.2. Investigation of GaN layers grown on SiC and Si substrates .................. 58
4.1.3. Investigation of HPVE grown GaN.......................................................... 62
4.1.4. Concluding summary................................................................................ 70
4.2. Low temperature studies of carrier dynamics in GaN ..................................... 73
4.2.1 Experimental results................................................................................... 73
4.2.2 Modeling .................................................................................................... 77
4.2.3 Conclusions................................................................................................ 82
4.3. Diffusion of carriers in GaN at high excitation conditions.............................. 82
4.3.1 Experimental results................................................................................... 83
4.3.2 Modeling .................................................................................................... 86
4.3.4 Conclusions................................................................................................ 90
4.4. On optical monitoring of carrier lifetime in GaN by LITG and TRPL
techniques ................................................................................................................ 91
4.4.1 Experimental .............................................................................................. 92
4.4.2 Modeling .................................................................................................... 94
4.4.3 Conclusions................................................................................................ 97
5. Carrier dynamics in InGaN layers and quantum-well structures..................98
5.1. Investigation of InGaN epilayers ..................................................................... 98
5.2. Investigation of InGaN MQWs ...................................................................... 106
5.3 Conclusions ..................................................................................................... 113
6. Carrier dynamics in synthetic diamonds.....................................................114
6.1 Carrier dynamics in HPHT diamonds............................................................. 114
6.2 Carrier dynamics in CVD diamonds......