InN的光致發(fā)光特性研究*

王 健 謝自力 張 榮 張 韻 劉 斌 陳 鵬 韓 平

(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省光電信息功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

(2012年8月29日收到;2013年1月28日收到修改稿)

1 引言

近年來，隨著InN的帶隙逐漸被證實(shí)為0.7 eV[1,2]，InN以其本身具有的特殊的物理性質(zhì)以及潛在的應(yīng)用價(jià)值，正在逐漸受到人們的關(guān)注.與其他的Ⅲ族氮化物相比，InN具有最小的電子有效質(zhì)量、最高的電子遷移率以及最高的飽和電子漂移速度[3-5].隨著In組分的改變，InGaN的光譜可以覆蓋到整個(gè)可見光甚至紅外區(qū)域，在光電子器件方面有著重要的應(yīng)用.但是由于InN的生長(zhǎng)缺乏晶格常數(shù)以及熱膨脹系數(shù)都匹配的襯底材料，并且由于InN自身較低的分解溫度以及生長(zhǎng)過程中需要較高的氮平衡蒸汽壓，這使得InN的生長(zhǎng)變得非常困難.近年來隨著生長(zhǎng)技術(shù)以及生長(zhǎng)方法的改進(jìn)，利用分子束外延(MBE)以及金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)已經(jīng)可以制備得到高質(zhì)量的InN薄膜.Wang等采用邊界溫度控制外延的MBE生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)出遷移率為 3280 cm2·V-1·s-1，載流子濃度為1.47×1017cm-3的高質(zhì)量的InN薄膜[6].Miller等人證實(shí)了在Mg摻雜的InN中，在某一摻雜濃度范圍內(nèi)材料內(nèi)部會(huì)實(shí)現(xiàn)p型，但是表面依然是n型，同時(shí)根據(jù)PL譜推算Mg的摻雜能級(jí)在價(jià)帶之上約70 meV[7].但是由于材料質(zhì)量的限制，目前對(duì)MOCVD制備的InN薄膜性質(zhì)的研究還相對(duì)缺乏.

本文重點(diǎn)研究了利用MOCVD制備的InN薄膜的光致發(fā)光(PL)特性，分析了PL譜與半導(dǎo)體帶隙以及載流子濃度之間的關(guān)系，同時(shí)觀察了溫度對(duì)材料發(fā)光特性的影響.

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中InN薄膜是采用了Thomas Swan MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)，在α—Al2O3藍(lán)寶石(0001)的襯底上進(jìn)行的異質(zhì)外延生長(zhǎng).生長(zhǎng)前首先通入NH3，在1150°C的條件下對(duì)襯底進(jìn)行氮化，生長(zhǎng)過程采用了兩步法：首先在570°C的條件下生長(zhǎng)GaN緩沖層，厚度大約為25 nm，然后在605°C的條件下生長(zhǎng)InN外延層，生長(zhǎng)時(shí)間為2.5 h，壓強(qiáng)為 300 Torr(1 Torr=1.33322×102Pa)，生長(zhǎng)厚度大約為300 nm.生長(zhǎng)過程中分別采用三甲基Ga(TMGa)、三甲基In(TMIn)和氨氣(NH3)作為Ga、In以及N源，載氣采用氮?dú)?N2).

實(shí)驗(yàn)對(duì)InN進(jìn)行了光致發(fā)光研究，采用了傅里葉變換紅外光譜儀接受系統(tǒng)，激發(fā)光源為532 nm的半導(dǎo)體激光器，探測(cè)器為工作于液氮溫度下的InSb，其響應(yīng)波段為1.1—5.4μm.變溫過程溫度測(cè)量采用的是小型銠鐵電阻溫度計(jì)，分辨率為0.1 K.

3 結(jié)果與分析

3.1 理論模型

圖1給出了本征與簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的能帶說明[8]，InN本身具有很高的背景電子濃度，費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶之上，是簡(jiǎn)并半導(dǎo)體.從圖中我們可以得到如下關(guān)系：

其中EPL(n)為光激熒光光譜峰值能量，Eg(n)為InN的帶隙，EF(n)為費(fèi)米能級(jí).同時(shí)由于能帶重整效應(yīng)所產(chǎn)生的帶隙隨載流子濃度增加而減小的影響，我們可以得到

其中Eg為本征InN的帶隙，當(dāng)載流子濃度趨近于零時(shí)，Eg(n)趨近于Eg·ΔEg(n)為能帶重整效應(yīng)所產(chǎn)生的能帶收縮，n為載流子濃度.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

其中γ為與能量有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于InN而言，2≤γ≤4，f為費(fèi)米狄拉克函數(shù).擬合后我們可以得到Eg(n)=0.67 eV，這個(gè)值與文獻(xiàn)中報(bào)道的InN的光學(xué)禁帶寬度在0.65—0.8 eV的結(jié)果一致[10].同時(shí)我們可以得到另外兩個(gè)參數(shù)：γ=3.1，EF=0.11 eV.

在各向同性條件下，EF與載流子濃度的關(guān)系式為[9]

其中m0為自由電子質(zhì)量，me為有效電子質(zhì)量，并且me=0.1m0，這樣我們就可以根據(jù)上式求出載流子濃度n=5.4×1018cm-3.

通過以上辦法，我們實(shí)現(xiàn)了在已知InN的PL圖譜的情況下求出該InN半導(dǎo)體材料的帶隙以及費(fèi)米能級(jí)的位置，并且根據(jù)相關(guān)公式求出了此載流子濃度，從而找到了PL圖與載流子濃度之間的聯(lián)系.

為了研究InN的光致發(fā)光隨溫度的變化行為，我們測(cè)量了樣品在13—300 K變溫下的PL譜，如圖3所示.

圖2 低溫(13 K)下的InN的PL圖譜

圖3 InN薄膜從13 K到300 K的變溫PL譜

從圖中我們可以很明顯的看出，隨著溫度的升高，InN的帶邊發(fā)光峰的強(qiáng)度不斷減弱，為了更清楚的看出發(fā)光峰位隨溫度的變化，圖4給出了不同溫度下發(fā)光峰的位置.

可以看出，隨著溫度的升高，帶邊發(fā)光峰逐漸紅移，這種變化可以用下式來解釋：

其中Eg(0)為0K下光致發(fā)光峰，式中第二項(xiàng)是表現(xiàn)帶隙隨溫度升高而收縮的Varshni項(xiàng)，第三項(xiàng)代表了局域化作用，σE為載流子的局域化能量[11,12].通過擬合我們可以得到Eg(0)=0.77 eV，描述電子聲子相互作用對(duì)能帶影響的γ=0.14 meV，德拜溫度β=864 K，與已有文獻(xiàn)中的報(bào)道值接近[13,14].而擬合得到的σE很小，可以看出此樣品中的載流子局域化作用并不明顯.值得注意的是，文獻(xiàn)中提到InN的發(fā)光峰位隨溫度會(huì)有“S”形非單調(diào)變化，原因在于InN中隨機(jī)分布的雜質(zhì)和缺陷態(tài)會(huì)產(chǎn)生載流子局域態(tài)，在溫度較低時(shí)，載流子被凍結(jié)在局域態(tài)的低能量位置，導(dǎo)帶和價(jià)帶帶尾的局域態(tài)之間的躍遷在光致發(fā)光中占主導(dǎo)作用，隨著溫度升高，熱化能量使載流子能夠越過局域態(tài)勢(shì)壘成為自由載流子，此時(shí)光致發(fā)光主要在導(dǎo)帶和價(jià)帶頂之間進(jìn)行.同時(shí)溫度升高帶來的能帶收縮效應(yīng)也會(huì)對(duì)InN的光致發(fā)光峰位產(chǎn)生影響，故最終會(huì)表現(xiàn)為“S”形.但在此我們并沒有觀察到文獻(xiàn)中所提到的發(fā)光峰位隨溫度的“S”形變化，這種現(xiàn)象與我們得到的很小的σE的結(jié)果也是符合的.產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是由于我們得到的光致發(fā)光光譜圖半高寬較寬，使得能量位置的紅移以及藍(lán)移變得不明顯[15]，同時(shí)這種差異也可能與載流子濃度以及內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)[16].

圖4 InN的發(fā)光峰位隨溫度的變化

4 結(jié)論

本文研究了通過MOCVD制備的InN薄膜的光致發(fā)光特性.基于InN本身很高的載流子濃度，利用它的能帶結(jié)構(gòu)關(guān)系以及相關(guān)公式擬合PL圖譜，可以得到材料的帶隙為0.67 eV以及載流子濃度n=5.4×1018cm-3，從而找到了一種通過PL圖求載流子濃度的方法.同時(shí)通過測(cè)量變溫條件下InN的PL圖，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高發(fā)光強(qiáng)度逐漸降低，并且發(fā)光峰的位置逐漸紅移，這是由于隨著溫度的升高，帶隙逐漸減小所造成的.之所以沒有出現(xiàn)文獻(xiàn)中提到的“S”形非單調(diào)變化，主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中得到的光致發(fā)光譜的半高寬太高所致.

感謝北京中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳涌海教授和葉小玲老師，感謝張世著師兄對(duì)本實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)以及討論.

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