行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
寬能隙半導體材料及其結構之時域解析光譜之研
究
Time-Resolved Photominescence Studies of Wide-Band Gap
Semicon-ductor Mater ial and Str uctur e
計畫編號：NSC89-2112-M009-013
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 10 月 31 日
主持人：陳文雄 執行機構及單位名稱：國立交通大學電子物理系
一、中文摘要 我們從時域解析與時間累積冷 激 光 光 譜 ， 探 討 氮化鎵經砷元素同電 子性攙雜後光學特性，發現砷元素對 激子復合過程有很重大的影響，並會 形成一侷限能態。當 As 元素攙雜入 薄膜後，很明顯的，缺陷能階與施子-受子對的躍遷減少了。由激子復合過 程可觀察到此侷限能態在溫度 75K 以 下時開始影響放光機制，與氮化鎵本 身的受束縛激子躍遷隨溫度的 1.5 次 方相關明顯的不同。藉由 SRH 理論， 我們可以很完整的描素這些現象。 關鍵詞：時 域 解 析 之 冷 激 光 光 譜 、 氮 化 鎵 、 同 電 子 性 摻 雜 、 載 子 輻 射 與 非 輻 射 復 合 Abstr actWe have studied the As doping ef-fects on the optical characteristics of GaN films by time integrated minescence and time resolved photolu-minescence. When As is incorporated into the film, the localized defect levels and donor-acceptor pair transition be-come less resolved. The recombination lifetime of neutral donor bound exciton (I2) transition in undoped GaN increases
with temperature as T1.5
. However, the I2
recombination lifetime in As-doped GaN first decreases exponentially from 98 to 41 ps between 12 and 75 K, then increases gradually to 72 ps at 250 K. Such a difference is related to the isoe-lectronic As impurities itself in GaN, which generate near-by shallow levels that dominate the recombination proc-ess.
Keywor ds: time-resolved photolumines-cence, GaN, isoelectronic doping, ra-diative and nonrara-diative recombination
二、計畫緣由與目的 近 年 三 五 族 氮 化 物 之 半 導 體 發 光 二 極 體 製 作 技 術 日 益 千 里，已 有 非 常 好 的 產 品 問 市；但 對 於 光 學 儲 存、光 纖 通 訊 與 光 學 辨 識 方 面，仍 須 高 功 率 的 紫 光 雷 射，連 帶 著 三 五 族 氮 化 物 之 半 導 體 雷 射 亦 需 求 孔 切 [1]，[2]，[3]。 在 本 計 畫 中，我 們 延 續 了 去 年 在 時 域 解 析 之 冷 激 光 光 譜 的 研 究 心 得 [4]， [5]， [6]， 更 深 入 、 精 密 地 研 究 同電子性攙雜氮 化 鎵 (GaN) 的 激 子 能 階 躍 遷 之 動 態 行 為，以 了 解 材 料 元 件 中 之 雜 質 或 缺 陷 的 種 類 和 形 成 原 因。我 們 擬 利 用 紫 外 光 範 圍 的 低 溫 時 域 解 析 之 冷 激 光 光 譜 量 測 系 統 (Low-temperature Time resolved Photolumin es cence) ， 此 系 統 將
2 toluminescen ce)，此 系 統 將 可 用 於 量 測 三 五 族 氮 化 物 的 紫 光 雷 射 元 件 之 發 光 量 子 效 應，可 瞭 解 結 構 缺 陷 與 雜 質 多 寡；另 外，將 尋 找 砷元素同電子性攙雜的光學特 性。 藉 此 量 測 ， 我 們 預 期 可 以 得 到 砷元素如何影響氮化鎵的 束縛激 子和 載 子 的 弛 緩 過 程，以 及 觀 察 載 子 輻 射 或 非 輻 射 的 復 合 或 非 復 合 機 制 與 生 命 週 期 (li fet ime)。
三、結果與討論 為了更近一步的探討關於同電子性 攙雜對於光學躍遷的影響，例如能隙 躍遷，我們使用時間解析激發光譜來 研究載子的動力過程。圖 1 為溫度 12K 下有無同電子性攙雜 GaN 薄膜的時間 累積冷 激 光 光 譜 ，很明顯的，缺陷 能階與施子-受子對的躍遷減少了。考 慮束縛激子的運動過程，如圖 2 所示， 對於是否有同電子性攙雜的樣品其復 合時間有很明顯的不同；未攙雜 As 的 GaN 薄膜的復合時間約為 142ps，而有 攙雜 As 的復合時間為 43ps。令人感興 趣的是，當我們改變測量溫度由 250K 降至 12K 時，未攙雜 As 的 GaN 的復合 時間由 185ps 下降至 127ps。另外，一 種不尋常的輻射過程於攙雜 As 的 GaN 樣品被觀察到；它的復合時間在 75K 時有極大的變化，相關的結果如圖 3 所示。非常特別地，當溫度由 12K 昇 至 75K，復合時間與溫度呈現指數遞 減，由 98 ps 降至 41 ps。非常值得注 意的是此種現象基本上與同電子攙雜 有關，並且根據已知的現象，是未曾 出現在其它半導體材料。 從觀察到的復合時間與溫度變化的 行為，我們認為或許有量子井的結構 存在 As 攙雜的 GaN 中，並且其主導了 光輻射過程[7]，[8]，[9]，[10]。就我 們所知，零維量子井結構的光輻射過 程對於溫度的變化非常敏感。當 As 加 入薄膜中，量子井的結構非常可能形 成。然而，若是存有量子井結構，應 該會出現因量子井的尺寸擾動效應而 產生能隙躍遷的藍移與半高寬變寬的 現象， 但是我 們沒有 觀察到 這些 現 象。另一種解釋為當 As 加入薄膜中， 它會填補 N 原子的空缺，因為 As 原子 比 N 原子重且大，故自旋-軌道作用會 於價帶邊緣上造成能階劈裂，形成一 吸引電洞的新能階[11]，[12]，[13]。 這種效應造成 As 原子於 GaN 中作用如 淺階受子，並使復合時間隨溫度成指 數關係變化。由 SRH 理論，束縛激子 的生命週期為[14]，[15]，[16]，[17]， [18] t th
N
v
σ
τ
= 1 ， 其中σ為激子碰撞截面積，vth為電子熱 速度，Nt為缺陷濃度。由σ、Nt與溫度 330 340 350 360 370 380 390 400 I1 I3 I2 DAP As-doped Undoped 12 K Int ensity ( a.u. ) Wavelength(nm)圖 1 TIPL spectr a of As doping in GaN
3 的關係，我們得到τ與溫度成 1.5 次方 相關，但對於 As 攙雜所造成的淺階受 子，其主導了發光過程，由於此 As 相 關能階密度為 Nt= Nv ) kT E exp(−∆ ， 由σ、Nt 與溫度的關係，我們得到τ與 溫度成指數相 關，與 實驗結 果相 符 合。 四、計畫成果自評 四、計畫成果自評 我們成功的使用時域解析與時間累積冷 激 光 光 譜，探 討 同 電 子 性 攙雜 對 於 氮 化 鎵 光 學 特 性 的 影 響 ， 並 已 發 表 於 Appl . Ph ys . Lett. 77, 2 819 (200 0)。 我 們 預 期 將 這 一 套 量 測 設 備 更 進 一 步 運 用 在 LD， LED 量 子 井 、 量 子 點 結 構 上 面 ， 以 瞭 解 其 發 光 的 機 制 。 五、參考資料 1
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圖 2 Tempor al evolution of the I2
emis-sion for both undoped and As-doped GaN. The dotted line is the system r e-sponse.
圖 3 The r ecombination lifetimes of
undoped and As-doped GaN measur ed fr om 12 to 250K. The dotted lines ar e the cur ve fitting of T1.5 dependence for
undo-ped sample and including exponential de-pendence below 75 K for As-doped sample.
4
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