Od niebieskiego ku zielonemu - luminescencja w strukturach InGaN/GaN

1. 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

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

3. 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 niebieskadioda LED z InGaN 1996– niebieska dioda laserowa by Shuji Nakamura, Nichia Obecnie niebieskie El Dorado

5. Nie tylko niebieskie… InxGa1-xN zakres spektralny: od0.7eV(dla x=1) do3.4eV(dla x=0) długość fali: od364nmdo1770nm

6. Zastosowania studnie kwantowe InGaN/GaN – obszary aktywne w niebieskichi zielonychlaserach • optyczne przechowywanie informacji • drukowanie i kserografia • wyświetlacze wysokiej rozdzielczości • holografia

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

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

12. Próbki warstwy i wielostudnie kwantoweInGaN wzrastane na zdezorientowanych podłożachGaN 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

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

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

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

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

17. Wyniki i wnioski

18. Wbudowywanie indu sample A sample B sample C

19. PL @ RT

20. Temperaturowa PL

21. Temp-PL

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

23. redshift redshift blueshift Położenie piku PL dis 2.0° 4.5 % In ‘S – shape’ dis 0.5° 14 % In dis 2.0° 13 % In

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

25. 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 up hopping down Ei Ej tunelowanie tunelowanie absorpcja fononu emisja fononu Rij Rij Ej Ei

27. Stokes shift Wyniki symulacji

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

29. Intensywność PL aktywacja termiczna EA centra rekombiancji niepromienistej:

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, 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 B216,649 – 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 