Charakteryzacja właściwości elektronowych i optycznych struktur AlGaN GaN Dagmara Pundyk

Charakteryzacja właściwości elektronowych i optycznych struktur AlGaN GaN Dagmara Pundyk Promotor: dr hab. inż. Bogusława Adamowicz, prof. Pol. Śl.

Zadania pracy Pomiary transmisji i odbicia optycznego dla struktur AlGaN/GaN w funkcji temperatury (77 333 K) Analiza wyników wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej warstw GaN i AlGaN Modelowanie transmisji i odbicia dla struktur jedno i dwuwarstwowych

Badane próbki struktury warstwowe AlGaN/GaN na szafirze; grubość warstw AlGaN - 25 nm, GaN - 2-3μm; warstwy domieszkowane w modulowany sposób (środkowa warstwa o grubości 15 nm jest domieszkowana krzemem na 18 3 poziomie 2 10 cm, warstwa wierzchnia i przy GaN są niedomieszkowane). AlGaN(5 nm) AlGaN:Si (15 nm) AlGaN(5 nm) i-gan (3 µm) Al 2 O 3 (szafir) Si 3 N 4 (1 nm) AlGaN(8 nm) i-gan (2 µm) Al 2 O 3 (szafir)

Transmisja i odbicie optyczne Schemat aparatury PCS2C333 Ocean Optics zakres pomiarowy 190nm-855nm rozdzielczość 1.3nm Próżnia ok. 10-5 mbar Mikrochłodziarka K-2205 MMR Technologies Inc Lampa DH-2000 Top Sensor PC komputer; S1, S2 karty spektrofotometryczne; W1, W2, W3 światłowody; DH 2000 źródło światła; P przepływomierz; K komora pomiarowa; O1, O2 okienka; MC mikrochłodziarka; KT kontroler temperatury z grzałką; WP wąż próżniowy; PP pompa próżniowa; WC węże wysokociśnieniowe; N2 butla z azotem Badania wykonane w Instytucie Fizyki Ciała Stałego Pol. Śl. W Katowicach we współpracy z dr Mirosławą Kępińską

I [j.w.] I [j.w.] Układ pomiarowy Charakterystyka widmowa zródla swiatla DH-2000 Top Sensor 1400 1200 70 60 50 Transmisja Odbicie od wzorca 40 1000 30 20 10 Mikrochłodziarka K-2205 MMR Technologies Inc http://www.mmr.com/optical.html 800 600 400 0 200 300 400 500 600 700 800 [nm] 200 0 200 300 400 500 600 700 800 [nm] DH-2000 Top Sensor http://www.oceanoptics.com

Fotoluminescencja Badania przeprowadzone w INTiBS we Wrocławiu Laser impulsowy Nd:YAG 266nm

50 45 40 35 30 25 20 hc Eg AlGaN hc Eg GaN 1 2 3 Wyniki badań - transmisja i odbicie Interferencja w GaN R 1 obszar absorpcji Al x Ga 1-x N oraz GaN 2 obszar absorpcji GaN 3 obszar pomijalnej absorpcji 5 4 3 2 1 0 300 350 400 450 500 550 600 327 365 Dlugosc fali [nm] (max T) = (min R) T Eg [ev] [nm] Si 3 N 4 ~5.1 243 Al 15 Ga 85 N 3.80 327 Al 25 Ga 75 N 4.06 305 Al 40 Ga 60 N 4.46 278 GaN 3.40 365 Al 2 O 3 ~8.7 142

Transmisja [%] Transmisja [%] Wpływ temperatury na widmo transmisji 7 Próbka Al 0.15 Ga 0.85 N\GaN 6 5 4 3 2 1 T T78_5 T80 T130 T180 T230 T280 T330 T333 7 6 Wzrost temperatury Przesunięcie krawędzi absorpcji w stronę większych długości fali Próbka Al 0.15 Ga 0.85 N\GaN 0 350 400 450 500 550 600 Dlugosc fali [nm] Okres oscylacji niezależny od temperatury 5 4 3 2 1 0 345 350 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 T Dlugosc fali [nm] T78_5 T80 T130 T180 T230 T280 T330 T333

Transmisja [%] Intensywnosc [a.u.] Intensywność PL [a.u.] 9 8 Fotoluminescencja i transmisja optyczna - porównanie 364 nm 4000 7 Eg GaN = 3.4 ev 3000 6 T = 293 K 5 4 2000 3 2 1000 1 0 365 nm 0 340 350 360 370 380 390 400 [nm] T=5%

Transmisja [%] Krawedz absorpcji [ev] Krawędź absorpcji GaN 3,47 3,46 3,45 3,44 3,43 Al 0.15 Ga 0.85 N\GaN Al 0.25 Ga 0.75 N\GaN Al 0.40 Ga 0.60 N\GaN Bougrov et al. (2001) Wzór Varshniego 1 : E g ( T) E g 2 T (0) T Bougrov et al. (2001) 3,42 3,41 3,40 3,39 3,38 9 8 7 6 5 4 3 E g (0) 600 3.47 7.7 10 K 4 ev ev K 3,37 3,36 2 1 5% T 0 350 400 450 500 550 600 80 100 120 140 160 [nm] 180 200 220 240 260 280 300 320 T [K] (1) P. Varshni, Physica 34, 149 (1967). (2) Bougrov et al., Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe New York, 2001

Transmisja [%] Wpływ składu procentowego Al x Ga 1-x N T=293K 10 Al 0.15 Ga 0.85 N\GaN (25nm\3 m) Al 0.25 Ga 0.75 N\GaN (25nm\3 m) 9 8 7 na widmo transmisji Si 3 N 4 \Al 0.40 Ga 0.60 N\GaN (1nm\8nm\2 m) 6 5 4 3 2 1 0 400 450 500 550 600 650 [nm] Al n R T Al okres oscylacji?

Odbicie[%] R [%] Wpływ temperatury na widmo 50 45 40 35 30 25 ekscyton Al 0.15 Ga 0.85 N\GaN T odbicia R 80 R 130 R 180 R 230 R 280 R 330 R 333 50 40 30 Przesunięcie krawędzi absorpcji Al x Ga 1-x N? AlGaN T=333 K T=293 K T=230 K T=180 K T=130 K T=80 K 20 15 20 GaN 10 300 350 400 450 500 550 600 Dlugosc fali [nm] Okres oscylacji niezależny od temperatury 10 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 Energia [ev] H. Jiang, G. Y. Zhao, H. Ishikawa, T. Egawa, T. Jimbo, and M. Umeno, J. Appl. Phys. 89, 1046 (2001)

R [%] R [%] T=293K Wpływ składu procentowego Al x Ga 1-x N na widmo odbicia 50 Al 0.15 Ga 0.85 N\GaN Al 0.25 Ga 0.75 N\GaN Si 3 N 4 \Al 0.40 Ga 0.60 N 50 x=0.25 x=0.15 Al 0.15 Ga 0.85 N\GaN Al 0.25 Ga 0.75 N\GaN Si 3 N 4 \Al 0.40 Ga 0.60 N x=0 40 Al 0.4 Ga 0.6 N 40 x=0.4 30 20 Al 0.15 Ga 0.85 N Al 0.25 Ga 0.75 N 30 20 10 300 350 400 450 500 550 600 Dlugosc fali [nm] 10 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 Dlugosc fali [nm] Al R E g ( x) (1 x) E ( GaN) x E ( AlN ) b x ( x 1) g g Krawędź absorpcji Al x Ga 1-x N? N. Nepal, J. Li, M. L. Nakarmi, J. Y. Lin, and H. X. Jaing, Appl. Phys. Lett. 87, 242104 (2005) T. J. Ochalski, B. Gil, P. Lefebvre, N. Grandjean, M. Leroux, J. Massies, S. Nakamura, and H. Morkoc, Appl. Phys. Lett. 74, 3353 (1996)

Krawedz absorpcji [ev] 4,08 4,06 4,04 4,02 4,00 3,98 3,96 3,94 3,92 3,90 3,88 3,86 3,84 3,82 3,80 3,78 3,76 3,74 3,72 Krawędź absorpcji Al x Ga 1-x N metoda graficzna Wzór Varshniego: E g ( T) 50 100 150 200 250 300 350 T [K] Al 0.15 Ga 0.85 N/GaN Al 0.25 Ga 0.75 N/GaN Eg(0)=4.08 ev, =0.00062, = 523 Eg(0)=3.83 ev, =0.00065, = 530 E g 2 T (0) T N. Nepal, J. Li, M. L. Nakarmi, J. Y. Lin, and H. X. Jaing, Appl. Phys. Lett. 87, 242104 (2005)

AFM topografia powierzchni AlGaN Mikroskop AFM PSIA XE-70 firmy Park - metoda bezkontaktowa Al 0.15 Ga 0.85 N/GaN Al 0.25 Ga 0.75 N/GaN

Teoria Współczynniki Fresnela dla padania prostopadłego: Energetyczne współczynniki transmisji i odbicia: R ij r ij n n n n i i i i n n n n j j j j 2 T ij t ij ni 2 n n i 4n n n n 2 i i j j j Natężenie światła: I r0 R 01 I I t 1 T12 I1

n Modelowanie - Założenia Obszar interferencyjny pomijalna absorpcja Współczynniki załamania Si 3 N 4, GaN, AlN, Al 2 O 3 internetowa baza danych (1) Współczynnik załamania Al x Ga 1-x N przyjmujemy jako n( x) (1 x) n( GaN) x n( AlN ) Padanie prostopadłe Jednorodna powierzchnia 2.7 r 01 t 01 r 12 t 12 r t ij ij n n i i n n ni 2 n n i j j j 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2 1.9 Al 2 O 3 GaN Al 15 Ga 85 N Al 25 Ga 75 N Al 40 Ga 60 N AlN Si 3 N 4 1.8 (1) http://refractiveindex.info 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 Dlugosc fali [um]

Otrzymane równania Dla jednej warstwy na podłożu szafirowym gdzie Dla dwóch warstw na podłożu szafirowym:

Warstwa na podłożu Al n R Interferencja w Al x Ga 1-x N (25nm) NIEMOŻLIWA

Dwie warstwy na podłożu szafirowym Al n R, T osc =const d GaN T osc

Dwie warstwy na podłożu szafirowym d GaN R d AlGaN R

Podsumowanie Wykonane zostały pomiary transmisji i odbicia optycznego dla różnych temperatur (78K 330K) Na podstawie widma transmisji wyznaczona została krawędź absorpcji dla GaN (zgodna z literaturą) Na podstawie widma odbicia wyznaczone zostały krawędzie absorpcji dla Al 0.15 Ga 0.85 N oraz Al 0.25 Ga 0.75 N (zgodne z literaturą) Rozbieżność modelu teoretycznego i wyników doświadczalnych (niewyjaśniona zmiana okresu oscylacji dla różnych wartości x) wpływ interfazy AlGaN\GaN na własności optyczne badanych struktur?

Dziękuję za uwagę!!!