Instytut Wysokich Ciśnień PAN „Mechanizmy luminescencji (foto- i elektro-) w strukturach kwantowych InGaN/GaN/AlGaN” Uzyskanie struktur kwantowych o dużej mocy świecenia i kontrolowanej długości fali emisji T. Suski Instytut Wysokich Ciśnień PAN Zadanie 11 Konferencja "Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe...‘, luty 2009

Wzrost intensywności luminescencji jako efekt redukcji rekombinacji niepromienistej i maksymalizacji rekombinacji promienistej Redukcja rekombinacji niepromienistej: - Wykorzystanie podłoży GaN – redukcja dyslokacji niedopasowania - Inżynieria naprężeń Badanie mechanizmów odpowiedzialnych za wzrost efektywności rekombinacji promienistej Wiele kontrowersji i tylko częściowe zrozumienie.

Potrzeba optymalizacji efektywności emisji światła w strukturach kwantowych InGaN/GaN/AlGaN: Modyfikacje obszary aktywnego struktury kwantowej tzn. studni kwantowej Emisja światła w kwantowych strukturach półprzewodnikowych- studnia kwantowa Zmniejszenie przerwy energetycznej Rozszerzenie studni kwantowej

Potrzeba skonstruowania wydajnych źródeł światła od ultrafioletu do zielonego 380 – 520 nm Diody elektroluminescencyjne, lasery półprzewodnikowe: Konieczność stosowania w obszarze czynnym diody (materiał studni kwantowej) stopu InGaN o kontrolowanej zawartości In. PROBLEMY utrudniające uzyskanie EFEKTYWNYCH EMITERÓW: i) obecność wbudowanych naprężeń i pól elektrycznych (QSE) ii) duże fluktuacje składu (a więc i przerwy energetycznej) Czy potrafimy te efekty zmierzyć, zrozumieć i nimi sterować? Niestety tylko częściowo!

Pola elektryczne w strukturze wurcytu: polaryzacja piezoelektryczna i spontaniczna Obecność pola elektrycznego wzdłuż kierunków tzw polarnych płaszczyzna (0001) „Ga-polarity” płaszczyzna (000-1) „N-polarity”. Prowadzi to do wbudowania się dużego pola elektrycznego ( 1 MV/cm) w konsekwencji przesunięcia funkcji falowych elektronów i dziur w przeciwne strony studni kwantowej Daje to znaczne obniżenie siły Oscylatora harmonicznego, a więc intensywności świecenia.

Redukcja efektu wbudowanego pola elektrycznego Wzrost epitaksjalny na kierunkach niepolarnych i półpolarnych m-plane (1-1 0 0) a-plane (1 1-2 0)

Chociaż całkowicie eliminuje się wbudowane pole elektryczne. c-plane m-plane Znacznie niższa koncentracja indu wbudowuje się na kierunku niepolarnym Chociaż całkowicie eliminuje się wbudowane pole elektryczne. Szczęśliwie można zwiększyć zawartość indu gdy zastosuje się niewielką dezorientację podłoża lub orientacje półpolarne

Duża koncentracja indu na kierunkach półpolarnych The highest wavelenght (green) observed on semipolar (11-22) Semipolar (11-22) 480 nm (11-20) 420 nm (0001) 460 nm Kawakami et al. APL 2007

Nawet na powierzchniach polarnych (0001) należy zastosować dezorientację gdyż pozwala to uniknąć wpływu defektów na „przypadkową” morfologię struktur kwantowych i zawartość indu w InGaN Growth of GaN layer approx. on c-plane R. Czernecki, growth & AFM – picture of the surface morphology around the defect

Wielostudnia kwantowa InGaN osadzana na Intencjonalnie zdezorientowanym podłożu GaN GaN buffer layer, 3-7xQW InxGa1-xN: x0.1-0.23; d4 nm GaN-cap layer 25 nm misorientation Wysoka temperatura wzrostu MOVPE 820° C: - wyraźny blue-shift energii PL Ze wzrostem dezorientacji Efekt jest związany z obniżaniem zawartości In

Wpływ dezorientacji na zawartość indu w studniach kwantowych InGaN hodowanych metodą MOVPE Quantum wells Zawartość In – ta sama tendencja jest obserwowana dla szerokiego zakresu temperatur wzrostu. Będziemy badać te efekty w metodzie MBE

Substrate misorientation very important for modification of the emission wavelength in InGaN containing structures Substrate misorientation defines the step-flow growth mode Θ 0.2° 0.4° 0.8° 2.3° Terrace width 67 nm 37 nm 16 nm 6.4 nm [0001] Θ

Efekty silnej segregacji indu podczas wzrostu InGaN Bardziej wyraźne podczas wzrostu MOVPE i przy dużych koncentracjach In; Wzrost MBE w niższych temperaturach. PL EG Lokalne zmiany profilu potencjału i przerwy energetycznej. Duże przesunięcie Stokes’a między absorpcją i emisją. Efekty powyższe kontrolowane w niewielkim stopniu, są badane w obecnym projekcie z nadzieją na ich zrozumienie i kontrolowanie. Jak tłumaczyć obserwacje podobnych energii Fotoluminescencji przy różnej zawartości indu w studniach kwantowych – efektem segregacji In Niska dezorientacja -> Wyższa zawartość indu -> Mniejsza przerwa energetyczna EG -> Niższe fluktuacje energii (krawędzi pasm) -> PL zachodzi z min/max CB/VB Wysoka dezorientacja -> Niższa zawartość indu -> Większa przerwa energetyczna EG -> Większe fluktuacje energii (krawędzi pasm) -> PL zachodzi z min/max CB/VB

Podsumowanie Do konstrukcji emiterów długofalowych wydaje się korzystniejsze stosowanie „semipolarnych” kierunków wzrostu (większa zawartość indu możliwa). Jednak dla kierunku polarnego też możliwe jest wprowadzenie dużej ilości indu; n.p. stosując niskie temperatury wzrostu i niezbyt szerokie studnie kwantowe (dla uniknięcia Kwantowego Efektu Starka). Wciąż nie jest jasna rola fluktuacji energetycznych wywołanych segregacją indu; chyba nie potrafimy tym sterować chociaż zdajemy sobie sprawę z kluczowej wagi tego zjawiska dla emiterów długofalowych. Stan wiedzy na temat mikroskopowych mechanizmów wzrostu epitaksjalnego (MOVPE) daleki od zadowalającego.