Молекулярно-лучевая эпитаксия и люминесценция GaN/AlN квантовых точек

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

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Лаборатория МЛЭ материалов типа А3В5

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

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.

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

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

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?

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)

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Sample
Initial
beam
Registration system
Specular beam
fluorescent
display
Дифракция быстрых электронов на отражение

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
ДБЭО: 2D и 3D дифракционные картины
Smooth surface
Rough surface
e--beam
e--beam

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
ДБЭО исследования
2D --> 3D transition
Bragg’s spots

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
σ(t) – effective average dimension of GaN islands
x0(t) – reflex position, strain
x, a.u.
time, sec
I(x,t), a.u.

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Механизмы эпитаксиального роста
- 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

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
КТ, выращенные по методу Странского-Крастанова
AlN bufer layer
GaN wetting layer
GaN islands (self-organized quantum dots)
(critical thickness d ≈ 2.5 ML)

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

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

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Условия роста структур с квантовыми точками GaN в AlN

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
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

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Спектры фотолюминесценции КТ
Зависимость энергии максимума ФЛ
от средней высоты КТ

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Безызлучательная рекомбинация в GaN/AlN КТ

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Зависимость энергии активации
тушения ФЛ от средней высоты КТ

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

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Термически активируемый захват на уровни дефектов, локализованных в окрестности КТ

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Микрофотолюминесценция GaN/AlN КТ
Fourth harmonic of a cw Nd:Vanadate laser, λ = 266 nm (ω =4.66 eV).
The laser spot was about 1.5 μm in diameter .

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Микро-ФЛ GaN/AlN КТ при различной мощности возбуждения

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Зависимость интесивности ФЛО от мощности возбуждения

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Зависимость энергии максимума полос ФЛ от мощности возбуждения

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.

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Изменение параметров решетки GaN КТ по данным ДБЭО

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Фотолюминесценция КТ GaN/AlN при высокой мощности накачки
Спектры ФЛ
Зависимость интенсивности ФЛ
от мощности лазера

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Энергия максимума полосы ФЛ
Зависимости положения и ширины полос ФЛ уровня накачки
Ширина полосы ФЛ

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Перенормировка запрещенной зоны

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

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Заполнение энергетических состояний
Квантовые точки
Квантовые ямы

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Тонкая структура экситонов в КТ
Momentum conservation law
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.

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Линейно поляризованное излучение КТ

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек
Polarization degree depends on density of QDs, it varies from 2% to 15%.
Линейно поляризованная ФЛ GaN/AlN КТ

МЛЭ и люминесценция GaN/AlN квантовых точек

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

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