InN的光致發(fā)光

1、InN的光致發(fā)光與其他的田族氮化物相比，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。隨著In組分的改變，InGaN的光譜可以覆蓋 到整個可見光甚至紅外區(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過程中需要較高的的氮平衡蒸汽壓，這使得InN的生長變得非常困難。近年來隨著生長技術(shù)以及生長方法的改進(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采用邊界溫度控制外延的 MBE生長方法生長出遷移率為3280cm

2、 2 V-1 S-1, 載流子濃度為1.47X1017cm-3的高質(zhì)量的InN薄膜。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)部會實(shí)現(xiàn)P型，但是表面依然是n型，同時根據(jù)PL譜推算Mg的摻雜能級在價帶之上約70meV.但是由于材料質(zhì) 量的限制，目前對MOCVD制備的InN薄膜性質(zhì)的研究還相對缺乏。本文重點(diǎn)研究利用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，同時觀察了溫度對材料發(fā)光特 性的影響。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中InN薄膜是采用了 Thomas Swan MOCVD 生長系統(tǒng)，在a-Al2O3藍(lán) 寶石（0001 ）的襯

3、底上進(jìn)行的異質(zhì)外延生長。生長前首先通入 NH3,在1150 c 的條件下對襯底進(jìn)行氮化，生長過程采用了兩步法：首先在570 c的條件下生長 GaN緩沖層，厚度大約為25nm,然后在605c的條件下生長InN外延層，生長 時間為2.5h ,壓強(qiáng)為300Torr,生長厚度大約為300nm.生長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源按,載氣米用氮?dú)?N2)。實(shí)驗(yàn)對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收系統(tǒng)，激發(fā)光源為532nm的半導(dǎo)體激光器，探測器為工作于液氮溫度下的InSb ,其響應(yīng)波段為1.1-5.4變溫過程溫度測

4、量采用的是小型銘鐵電阻溫度計，分辨率為 0.1K。結(jié)果與分析理論模型：圖1給出本正與簡并半導(dǎo)體的能帶說明。InN本身具有很高的背景電子濃度，費(fèi)米能級在導(dǎo)帶之上，是簡并半導(dǎo)體。從圖中我們可以得到如下關(guān)系：EpL(n)=E g(n)+E F(n)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。同時由于能帶重整效應(yīng)所產(chǎn)生的帶隙隨載流子濃度的增加而減小的影響，我們可以看到：Eg(n)=Eg-AEg(n)其中Eg為本征InN的帶隙，當(dāng)載流子濃度區(qū)趨近于零時，Eg(n)趨近于Eg。AEg(n)圈】 本征與尚非半導(dǎo)體的能儕遮明為能量帶重整效應(yīng)所產(chǎn)生的能帶收縮，n為載流

5、子濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論圖2為13K下的InN光激熒光圖譜，紅外為擬合值，在？> ?(n)區(qū)域內(nèi)，可以采用擬合公式:? ”?- Eg(n)H2f(?QEg(n)-EF)其中丫為與能量有關(guān)的參數(shù)，對于InN而言，20丫需f為費(fèi)米狄拉克函數(shù)。 擬合后我們可以得到Eg(n)=0.67eV ,這個值與文獻(xiàn)中報道的InN的光學(xué)禁帶寬 度在0.65-0.8eV的結(jié)果一致。同時我們可以得到另外兩個參數(shù)：丫 =3.1、 EF=0.11eV 。在各向同性條件下，EF與載流子濃度的關(guān)系式為:Ef=3.58 (-7?苗上meV圖2 慷出(門2下的1心的PL國多xzn上號、整®其中m0為自由電子質(zhì)量，m

6、e為有 效電子質(zhì)量，并且 me=0.1m 0,這樣我 們就可以根據(jù)上式求出載流子濃度 n=5.4 X1018cm-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，我們測量了樣品在13-300K變溫下的PL譜，如圖3所小O從圖中我們可以很明顯的看出，0.0160.012O 0080.00400.60.70*能量/eV隨著溫度的升高，InN的帶邊發(fā)光峰圖3 EN薄UM IS K到300 K的費(fèi)* Pt請的強(qiáng)度不斷減弱，為

7、了更清楚地看出發(fā)光峰位置隨溫度的變化， 圖4給出了不同溫度下發(fā)光峰的位置0J700.T660.T&201003003Q0溫度/K用4 1圖的能光，曲髓注度的文此可以看出，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:Eg(T)=Eg(0)-? ?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，6e為載流子的局域化能量。通過擬 合可以得到Eg(0)=0.77eV ,描述電子聲子相互作用對能帶影響的丫 =0.14meV , 德拜溫B=864K,與已有文獻(xiàn)中的報道值接近。而擬合得到的e很小，可以看出 此樣品中的

8、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 產(chǎn)生載流子局域態(tài)，在溫度較低時，載流子被凍結(jié)在局域態(tài)的低能量位置，導(dǎo)帶和價帶帶尾的局域態(tài)之間的躍遷在光致發(fā)光中占主導(dǎo)作用，隨溫度的升高，熱化能量使載流子能夠越過局域態(tài)勢壘成為自由載流子，此時光致發(fā)光主要在導(dǎo)帶和價帶頂之間進(jìn)行。同時溫度升高帶來的能帶收縮效應(yīng)也會對InN的光致發(fā)光峰位產(chǎn)生影響，故最終會表現(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,S"形變化，這種現(xiàn)象與得到的很小的(7E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)光光譜半高寬較寬，使得能量位置的紅移以及藍(lán)移變得不明顯。同時這種差異也可能與載流子濃度以及內(nèi)建電場強(qiáng) 度有關(guān)。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?；贗nN本身 很高的載流子濃度，利用他的能帶結(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0.67eV以及載流子濃度n=5.4X1018cm-3,從而找到了一種通過 PL圖譜求載流子濃度的方法。同時通過測量變溫條件下InN的PL圖，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高強(qiáng)度逐漸降低，并且發(fā)光峰位置逐漸紅移，這是由于