Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
1 слайд
Молекулярно-лучевая эпитаксия и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
К.С. Журавлев
Институт Физики Полупроводников СО РАН, Новосибирск, Россия
2 слайд
2
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
План выступления
Информация о лаборатории МЛЭ материалов типа А3В5
МЛЭ GaN квантовых точек в матрице AlN
Фотолюминесценция GaN/AlN КТ
Заключение
3 слайд
3
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Лаборатория МЛЭ материалов типа А3В5
Riber-32P
Compact 21T
Riber-32P CBE
4 слайд
4
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Методы эпитаксии III-нитридных гетероструктур
Молекулярно-лучевая эпитаксия
Газофазная эпитаксия
Аммиачная МЛЭ
Ga(Al) + NH3 GaN(AlN) + N2+ H2
рч-МЛЭ
Ga(Al) + N (plasma) GaN(AlN)
Ga(CH3)3 + NH3
GaN+CH4+N2+H2
Al(CH3)3 +NH3
AlN+CH4+N2 +H2
5 слайд
5
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Молекулярно-лучевая эпитаксия
Достоинства МЛЭ технологии:
низкая скорость роста слоев (1 мкм/час = 1 нм/сек),
быстрая скорость управления потоками исходного вещества,
in situ контроль ростового процесса.
6 слайд
6
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Проблемы МЛЭ GaNAlGaN гетроструктур
Технология начала роста: полярность и морфология.
Управление упругими напряжениями в гетроструктуре.
Уменьшение концентрации дефектов и примесей.
Получение требуемой морфологии поверхности и границ раздела.
Отсутствие GaN подложки
7 слайд
7
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Встроенное электрическое поле в вюрцитных GaN/AlN КТ
Optical properties of wurtzite GaN/AlN QDs are significantly affected by the presence of a strong built-in electric field
Origin of electric field: spontaneous polarization at the GaN/AlN interfaces and piezoelectric polarization of strained GaN
Resulting electric field value: a few MV/cm
Direction of electric field: vertical - along the (0001) growth axis
8 слайд
8
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Эффекты встроенного электрического поля в GaN/AlN КТ
Presence of a strong built-in electric field in GaN/AlN QDs results in:
Quantum-confined Stark effect
Exponential dependence of PL decay times on the QDs size
Strong dependence of the PL peak energy on the excitation power as a consequence of the screening of electric field?
9 слайд
9
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Энергетическая диаграмма GaN/AlN КТ
A.D. Andreev and E.P. O’Reilly, Appl. Phys. Lett., 79, 521 (2001)
10 слайд
10
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Sample
Initial
beam
Registration system
Specular beam
fluorescent
display
Дифракция быстрых электронов на отражение
11 слайд
11
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
ДБЭО: 2D и 3D дифракционные картины
Smooth surface
Rough surface
e--beam
e--beam
12 слайд
12
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
ДБЭО исследования
2D --> 3D transition
Bragg’s spots
13 слайд
13
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Анализ роста КТ с помощью ДБЭО
Reflexes intensity evolution
Spot’s shape (Gauss function):
I0(t) – GaN islands density
(t) – effective average dimension of GaN islands
x0(t) – reflex position, strain
x, a.u.
time, sec
I(x,t), a.u.
14 слайд
14
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Механизмы эпитаксиального роста
Frank– van der Merwe (FV)
Volmer-Weber (VW)
Stranski-Krastanov (SK)
- Frank–van der Merwe (FV) Elayer + Ein + Eel < Esub
Volmer-Weber (VW) Elayer + Ein + Eel > Esub
Stranski- Krastanov (SK) Elayer + Ein + Eel < Esub d < dc
Elayer + Ein + Eel > Esub d > dc
Elayer , Ein , Esub - surface energies
Eel – elastic energy
15 слайд
15
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
КТ, выращенные по методу Странского-Крастанова
AlN bufer layer
GaN wetting layer
AlN (0001)
GaN islands (self-organized quantum dots)
(critical thickness d 2.5 ML)
16 слайд
16
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
ДБЭО контроль моды роста
MBE growth of QDs without 2D 3D transition
Intensity of 2D (0 0) (0 1/2) and 3D (Bragg Spot) reflexes
Coexistence of 2D and 3D growth mode
3D nucleation without wetting layer
TS=5400 C
17 слайд
17
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Кинетика роста GaN островков на поверхности AlN
Ga on
Nucleation rate of 3D islands increases
with substrate temperature increasing
18 слайд
18
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Условия роста структур с квантовыми точками GaN в AlN
19 слайд
19
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
149
280
Электронная микроскопия КТ
Typical QDs density was in a range of 1010 - 1011 cm-2.
Height of QDs was in a range of 2.0‑5.0 nm.
HRTEM image
20 слайд
20
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Т=5К
№280
№149
Спектры фотолюминесценции КТ
Зависимость энергии максимума ФЛ
от средней высоты КТ
21 слайд
21
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
№149
Безызлучательная рекомбинация в GaN/AlN КТ
22 слайд
22
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Зависимость энергии активации
тушения ФЛ от средней высоты КТ
H13
H12
E12
23 слайд
23
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Оже-рекомбинация
Рекомбинация через глубокие центры
внутри квантовых точек
в матрице
глубокий центр
экситон
Возможные механизмы температурного тушения ФЛ КТ
24 слайд
24
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Спектр дислокаций в AlN
C. J. Fall, Phys. Rev. B, 65, 245304
Eact
Термически активируемый захват на уровни дефектов, локализованных в окрестности КТ
25 слайд
25
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Микрофотолюминесценция GaN/AlN КТ
Fourth harmonic of a cw Nd:Vanadate laser, = 266 nm ( =4.66 eV).
The laser spot was about 1.5 m in diameter .
26 слайд
26
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Микро-ФЛ GaN/AlN КТ при различной мощности возбуждения
27 слайд
27
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Зависимость интесивности ФЛО от мощности возбуждения
28 слайд
28
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Зависимость энергии максимума полос ФЛ от мощности возбуждения
29 слайд
29
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Причины независимости положения полос ФЛ от мощности возбуждения
Small number of carriers in single QD: 1 e-h pair.
The internal electric field in the explored structures is small in comparison with the value deduced from the piezoelectric constants and the spontaneous polarization.
Small shift of particular PL bands can be due to recharging of defects located at distance of a few nm from QD.
30 слайд
30
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Изменение параметров решетки GaN КТ по данным ДБЭО
31 слайд
31
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Фотолюминесценция КТ GaN/AlN при высокой мощности накачки
Т=5К
Спектры ФЛ
Зависимость интенсивности ФЛ
от мощности лазера
32 слайд
32
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Энергия максимума полосы ФЛ
Зависимости положения и ширины полос ФЛ уровня накачки
Ширина полосы ФЛ
33 слайд
33
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Перенормировка запрещенной зоны
KQD=4.1 • 10‑8 eV cm
KBulk=4.27·10-8 eV cm
M. Yoshikawa, J. Appl. Phys. 86, 4400 (1999)
Энергетический сдвиг из-за
ренормализации запрещенной
зоны в объемном GaN
- коэффициент поглощения,
d - толщина смачивающего слоя,
J – плотность энергии в импульсе,
V - объем всех КТ.
nmax= 4 • 1020 см-3
Зависимость энергии полосы ФЛ
от мощности возбуждения
34 слайд
34
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Нестационарная ФЛ КТ GaN/AlN
Расчет T. Bretagnon, PRB, 73, 113304 (2006).
Спектры нестационарной ФЛ
Кинетика ФЛ
Время жизни в КТ
Наши данные
Энергетический спектр КТ
разного размера
35 слайд
35
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Заполнение энергетических состояний
Fe
Fh
Квантовые точки
Квантовые ямы
Fe
Fh
n(E)
E
36 слайд
36
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Тонкая структура экситонов в КТ
Momentum conservation law
Energy scheme of exciton
R. Seguin et al. PRL, 95, 257402 (2005).
The total angular momentum of heavy-hole excitons in QDs M=s+j, s= ½ (the electron spin), j=3/2 (the heavy-hole angular momentum).
Four degenerate states:
M=1(bright states), M=2(dark states).
Emission of pure states is circular polarized.
1. Electron- hole exchange interaction:
- causes a dark-bright splitting,
mixes the dark states,
- lifts their degeneracy.
2. Lower symmetry of QDs:
produces a nondegenerate bright doublet,
- mixes the bright states.
The mixed states usually produce lines showing linear polarization.
37 слайд
37
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Линейно поляризованное излучение КТ
Micro-PL spectra of QDs
D. Gammon et al. PRL, 76, 3005 (1996).
Electron-hole exchange energy in QDs
M. Bayer et al. PRB, 65, 195315 (2002).
Neutral exciton spectrum of single-QDs exhibits a doublet of lines that are linearly polarized along two perpendicular directions.
Light-hole-to-heavy-hole valence band mixing modulates the oscillator strengths of the different components, in case of anisotropic confinement.
GaAs/AlGaAs islands
InGaAs/AlGaAs QDs
38 слайд
38
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Micro-PL of QDs
with different density and size
Polarized micro-PL of QDs
Sample#3
=90
=0
=15%
Polarization degree depends on density of QDs, it varies from 2% to 15%.
Линейно поляризованная ФЛ GaN/AlN КТ
39 слайд
39
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Micro-PL of QDs
with different density
- GaN QDs are tend to be formed at elastic potential minima on AlN surface close to defects such as threading edge dislocations.
- This leads to anisotropy of strain and shape of a QD and linear polarization of PL emission of single QD.
- If the density of QDs is higher than density of dislocations one part of QDs will be formed close to dislocations and exhibit linearly polarized emission while other QDs will be dislocation free and exhibit unpolarized emission.
The higher degree of PL polarization of sample with lower QDS density can be attributed to the larger part of QDs, which are located at vicinity of dislocations
40 слайд
40
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
В ИФП СО РАН развита МЛЭ технология GaN квантовых точек в матрице.
Ведутся исследования механизмов роста, структурных и люминесцентных свойств структур с квантовыми точками
41 слайд
41
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
В.Г.Мансуров, Ю.Г.Галицын, Т.В.Малин, А.Тихонов (Рост),
А.К.Гутаковский (Микроскопия),
И.Александров, А.М.Гилинский, (Фотолюминесценция).
ИФП СО РАН, Новосибирск
Ph. Vennegues (Microscopy)
Centre de Recherche sur l’Hetero-Epitaxie et ses Applications, Valbonne, France
P. P. Paskov, P.O.Holtz (micro-Photoluminescence)
Linköping University, Linköping, Sweden
42 слайд
42
МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Спасибо за внимание !
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 663 403 материала в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Стебнева Галина Анатольевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс повышения квалификации
72/180 ч.
Курс профессиональной переподготовки
600 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300/600 ч.
Мини-курс
4 ч.
Мини-курс
4 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.