Od niebieskiego ku zielonemu - luminescencja w strukturach InGaN/GaN Justyna Szeszko Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej Instytut Wysokich Ciśnień ‘Unipress’ Polskiej Akademii Nauk Brenna, 26. 04. 2008

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

} } } Próbki warstwy i wielostudnie kwantowe InGaN wzrastane na zdezorientowanych podłożach GaN kierunek wzrostu } } InGaN cap 10nm obszar aktywny - 3QW QW – InxGa1-xN 3nm QB – InxGa1-xN:Si 10nm warstwy epitaksjalne MOVPE } InGaN:Si 30nm warstwa buforowa GaN 400nm zdezorientowane podłoże HVPE GaN 100-300 μm

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

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

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

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

Wyniki i wnioski

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

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

Temperaturowa PL

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

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

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

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

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

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

Wyniki symulacji Stokes shift

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

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

Energie aktywacji

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

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, 211904 (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

Dziękuję za uwagę 

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

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

Comparison with MC simulation σ = 44 meV

Energia PL

Potential profile fluctuations localized states randomly distributed in space Gaussian DOS

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

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

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

PL maps @ RT space between scans: 0.6mm

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

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

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

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