Od niebieskiego ku zielonemu - luminescencja w strukturach InGaN/GaN

Prezentacja na temat: "Od niebieskiego ku zielonemu - luminescencja w strukturach InGaN/GaN"— Zapis prezentacji:

1 Od niebieskiego ku zielonemu - luminescencja w strukturach InGaN/GaN
Justyna Szeszko Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej Instytut Wysokich Ciśnień ‘Unipress’ Polskiej Akademii Nauk Brenna,

2 Plan prezentacji Motywacja Eksperyment Wyniki pomiarów Symulacje MC
Badane próbki Metody pomiaru Wyniki pomiarów Symulacje MC Wnioski Luminescencja w strukturach InGaN/GaN

3 struktury kwantowe InGaN/GaN?
Motywacja Dlaczego struktury kwantowe InGaN/GaN?

4 Krótka historia niebieskiej rewolucji
początek lat 90-tych GaN – egzotyczny półprzewodnik, ‘black hole for time and money’ Sen o niebieskiej diodzie laserowej 1992 – pierwsza niebieska dioda LED z InGaN 1996 – niebieska dioda laserowa by Shuji Nakamura, Nichia Obecnie niebieskie El Dorado

5 Nie tylko niebieskie… InxGa1-xN
zakres spektralny: od 0.7 eV (dla x=1) do 3.4 eV (dla x=0) długość fali: od 364 nm do 1770 nm

6 Zastosowania studnie kwantowe InGaN/GaN – obszary aktywne w
niebieskich i zielonych laserach optyczne przechowywanie informacji drukowanie i kserografia wyświetlacze wysokiej rozdzielczości holografia

7 Zastosowania niebieskie i zielone LED Ref. [3] białe LED

8 Wyzwanie… Jaka fizyka kryje się za komercyjnym sukcesem
technologii azotkowej? np. 2002 przerwa energetyczna InN: 0.77 eV zamiast 1.8 eV J. Wu, W. Walukiewicz, K. M. Yu et al., Applied Physics Letters 80 (21), 3967 (2002)

9 fioletowego niebieskiego zielonego
Cel: optymalizacja mikrostruktury i własności optycznych wielostudni InGaN/GaN zwiększanie zawartości indu wydajne źródła światła fioletowego niebieskiego zielonego Prof. Tadeusz Suski G. Franssen, M. Kryśko, A. Khachapuridze, S. Grzanka, B.Łucznik, I.Grzegory, G.Kamler, G.Nowak, R.Czernecki, G.Targowski, M.Leszczyński

10 Badane zjawiska Metody Fluktuacje atomów indu
Mechanizmy rekombinacji promienistej i relaksacji termicznej Efekty lokalizacyjne Metody Charakteryzacja strukturalna (XRD,AFM) Charakteryzacja optyczna RT, temperaturowa PL) Symulacje Monte Carlo (dynamika ekscytonów)

11 Przygotowanie próbek Wzrost HVPE Orientacja – XRD
Polerowanie mechaniczne Wytrawianie jonowe (RIE) Wzrost MOVPE

12 } } } Próbki warstwy i wielostudnie kwantowe InGaN wzrastane na
zdezorientowanych podłożach GaN kierunek wzrostu } } InGaN cap 10nm obszar aktywny - 3QW QW – InxGa1-xN nm QB – InxGa1-xN:Si 10nm warstwy epitaksjalne MOVPE } InGaN:Si 30nm warstwa buforowa GaN 400nm zdezorientowane podłoże HVPE GaN μm

13 Dlaczego podłoża zdezorientowane?
kierunek wzrostu epitaksjalnego θ kąt dezorientacji [0001] struktura stopnie monoatmowe DICM, Ref. [8] dezorientacja: [0001] Θ Θ = 0.5°, 1.0 °, 2.0 ° mniej defektów powierzchniowych wzrost poprzez płynięcie stopnie atomowych

14 Dlaczego podłoża zdezorientowane?
własności optyczne kontrola wbudowywania i segregacji atomów indu 0.02° 0.45° 0.35° Ref. [9] własności elektryczne efektywniejsze domieszkowanie na typ p

15 Charakteryzacja próbek
Atomic Force Microscopy X-Ray Diffraction Mapy PL Temperaturowa PL Analiza wyników…

16 Charakteryzacja optyczna
FWHM integrated intensity peak position Widma PL T = 10 K T = 300 K laser He-Cd 325 nm

17 Wyniki i wnioski

18 Wbudowywanie indu 1293 820°C 10% 1447 780°C 15% 1471 750°C 22%
sample A sample B growth process growth temperature intentional In-content 1293 820°C 10% 1447 780°C 15% 1471 750°C 22% sample C

19 PL @ RT substrate dis In samle A HVPE 0.5° 22% samle B 1.0° 18%
samle C 2.0° 13% samle D bulk GaN 0.7° 23% samle T sapphire

20 Temperaturowa PL

21 Temp-PL substrate dis samle A HVPE 0.5° samle B 1.0° samle C 2.0°
samle D bulk GaN 0.7° samle T sapphire

22 Położenie piku PL klasyczne półprzewodniki: EStokes
, półprzewodnki wykazujące nieporządek: ‘S – shape’ efekty lokalizacyjne

23 Położenie piku PL ‘S – shape’ dis 2.0° 4.5 % In redshift blueshift

24 Ekscyton Wanniera zlokalizowany w minimach potencjału
CB VB electron hole Energy planar direction In-rich regions Eg In-poor niejednorodny rozkład przestrzenny atomów indu fluktuacje potencjału

25 stanami zlokalizowanymi
Symulacje Monte Carlo dla danej temperatury T: n niezależnych ekscytonów w zbiorze N stanów zlokalizowanych dla każdego ekscytonu: Hopping między stanami zlokalizowanymi Rekombinacja promienista vs Rozkład energii

26 Hopping ekscytonów parametry: hopping down hopping up Ei Ej Rij Ej Rij
tunelowanie tunelowanie emisja fononu absorpcja fononu Rij Ej Rij Ei

27 Wyniki symulacji Stokes shift

28 Szerokość połówkowa poszerzenie niejednorodne:
fluktuacje szerokości studni fluktuacje składu poszerzenie fononowe: fonony akustyczne fonony optyczne

29 centra rekombiancji niepromienistej:
Intensywność PL centra rekombiancji niepromienistej: aktywacja termiczna EA

30 Energie aktywacji

31 Wnioski Proces wbudowywania atomów indu wrażliwy na morfologię powierzchni podłoża Ta sama zależność średniej zawartości indu od dezorientacji, niezależnie od temperatury wzrostu Znacząca rola efektów lokalizacyjnych w emisji światła, nawet w temperaturach pokojowych Jakościowe potwierdzenie wyników pomiarów przez symulacje hoppingu ekscytonów

32 Bibliografia [1] Low-dimensional Nitride Semiconductors, ed. by B.Gil (Oxford University Press, 2002) [2] Nitride Semiconductors and Devices, H.Morkoc (Springer, 1999) [3] Nitride Semiconductor Devices, ed. by J. Piprek (Wiley-VCH Verlag, 2007) [4] Hopping transport in solids, ed. M. Pollak (North Holand, 1991) [5] High Resolution X-Ray Diffractometry and Topography, D.K. Bowen and B.K. Tanner (Taylor & Francis, 1998) [6] M. Kryśko, G. Franssen, T.Suski, M. Albrecht, B.Łucznik, I. Grzegory, S.Krukowski, R.Czernecki, S.Grzanka, I.Makarowa, M.Leszczyński and P.Perlin, Appl. Phys. Lett. 91, (2007) [7] K. Kazlauskas, G. Tamulaitis, A. Zukauskas, M. A. Khan, J. W. Yang, J. Zhang, G. Simin, M. S. Sur, R. Gaska, Appl. Phys. Lett. 83, 3722 (2003) [8] A.R.A. Zauner, J.J. Schermer, W.J.P. van Enckevort, V. Kirilyuk, J.L. Weyher, I. Grzegory, P.R. Hageman, and P.K. Larsen, Physica Status Solidi B 216,649 – 654 [9] Sung-Nam Lee, H.S. Paek, J.K. Son, T. Sakong, E. Yoon, O.H. Nam, Y. Park, Physica B 376–377 (2006) 532–535

33 Dziękuję za uwagę 

34 InxGa1-xN bandgap compositon dependence: quantum levels in QWs QCSE
exciton binding energy potential fluctuations

35 InxGa1-xN bandgap temperature dependence: α,β
- Varshni’s coefficients photoreflectance measurements Varshni fit linear interpolation from the values for GaN and InN

36 Comparison with MC simulation
σ = 44 meV

37 Energia PL

38 Potential profile fluctuations
localized states randomly distributed in space Gaussian DOS

39 What is actually localized?
planar direction E Wannier exciton electron-hole pair donor-acceptor pair model

40 Full Width at Half Maximum
double-scaled potential Ref. [7] σ – dispersion of the distribution of localized states Γ – temperature-independent inhomogeneous linewidth broadening

41 Indium incorporation terrace higher In content step-bunching
step riser lower In content step-bunching Z-contrast SEM, Ref. [6] disorientation angle Indium content terrace size

42 PL RT space between scans: 0.6mm

43 XRD spectra 0002 reflection scan 2Θ/ω average Indium content
substrate peak 0002 reflection scan 2Θ/ω zero-order peak satellite peaks average Indium content period of MQW

44 X-Ray Diffraction disorientation angle strained or relaxed
ω 2Θ monochromator detector sample analyser tilt rotate experimental setup geometry crystallographic planes Θ ω incident beam diffracted sample’s surface What information can we obtain? disorientation angle strained or relaxed

45 temperature microcontroller
Układ pomiarowy turbomolecular pump detekcja wzbudzenie cryostat He-Cd laser 325 nm double monochromator sample CCD camera vacuum sensor PC temperature microcontroller

46 Center-of-mass motion: Radiative recombination rate:
Hopping dynamics Center-of-mass motion: phonon-assisted tunneling rate between the localized states i and j (Miller-Abrahams formula) hopping up hopping down - attempt-to-escape frequency - decay length of exciton wavefunction Radiative recombination rate: - exciton lifetime