[科普中國(guó)]-發(fā)射帶

內(nèi)容簡(jiǎn)介

由于GaN晶體具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，因而被認(rèn)為是一種非常具有應(yīng)用前景的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料。由于GaN晶體薄膜外延生長(zhǎng)技術(shù)的改進(jìn)與提高，使其在半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域得以迅速發(fā)展，尤其在GaN基光電器件應(yīng)用研究領(lǐng)域。由此，GaN晶體的發(fā)光特性、帶隙能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)、能級(jí)形成的內(nèi)部機(jī)制以及能級(jí)間的躍遷行為變得十分具有現(xiàn)實(shí)意義。Ogino和Aoko認(rèn)為1，2.2eV附近的光致發(fā)光帶是由淺施主到深受主的躍遷，其中淺施主的深度約為25meV，深受主是鎵空穴(VGa)與氮的碳替位（CN）形成的復(fù)合體（VGa-CN）且其能級(jí)深度為860meV，并確定Si和O的摻雜并不影響黃光發(fā)射帶。

離子注入型GaN黃光發(fā)射帶研究對(duì)C摻雜氫化物氣相外延生長(zhǎng)的GaN的光致發(fā)光測(cè)量確定C雜質(zhì)是黃光發(fā)射帶存在的一個(gè)重要原因。對(duì)于Si摻雜或注入對(duì)樣品黃光發(fā)射強(qiáng)度的影響，不同的文獻(xiàn)給出的結(jié)論也不盡相同。如在2002年，Dai等研究了離子注入的不同GaN樣品退火前后的光致發(fā)光譜，得出樣品1的黃光發(fā)射與近帶緣發(fā)射的強(qiáng)度比減小，而對(duì)于樣品2，該比值卻增大；有些文獻(xiàn)報(bào)道Si摻雜的樣品黃光發(fā)射與近帶緣發(fā)射的強(qiáng)度比值增大，且該文獻(xiàn)認(rèn)為黃光發(fā)光帶起源于Ga空穴與Si離子注入帶來缺陷的復(fù)合體。在高濃度的n型摻雜中（n>1019/cm3），黃光發(fā)射的強(qiáng)度隨Si摻雜的增加而降低，文獻(xiàn)中解釋為引入的施主原子對(duì)Ga空穴進(jìn)行了補(bǔ)償。由此可見，Si在GaN黃光發(fā)射帶中扮演著重要的角色。

雖然各個(gè)研究團(tuán)體對(duì)于n型GaN的黃光發(fā)射帶的研究結(jié)果各不相同，但一個(gè)基本的共識(shí)就是該發(fā)射帶是由第一種機(jī)制，即淺施主或?qū)У缴钍苤髂芗?jí)的躍遷產(chǎn)生，其中淺施主可能是VN，ON，Gai或SiGa等；深受主可能由VGa與淺施主的復(fù)合體（VGaD）形成，且離化能約為0.8-0.9eV。但躍遷的淺施主和與VGa形成復(fù)合體的淺施主D并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

通過測(cè)量退火前后N，O，Mg，Si和Ga離子注入GaN樣品的光致發(fā)光譜，并利用獨(dú)立提出的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鲎V線中黃光發(fā)射帶強(qiáng)度的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：GaN樣品的黃光發(fā)射帶強(qiáng)度隨Si離子注入劑量的增加而減弱、隨Ga和Mg離子的注入劑量的增加而增強(qiáng)；而對(duì)于注入的N和O離子則對(duì)GaN樣品的黃光發(fā)射帶的影響較小且基本不隨劑量的變化而變化。雖然該實(shí)驗(yàn)得出了如上一些有益的結(jié)論，并且也得到了一些相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果的支持， 但還不能確定導(dǎo)致黃光發(fā)射帶強(qiáng)弱變化的內(nèi)部機(jī)制，同時(shí)，該結(jié)論所基于的獨(dú)立提出的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?br /> 性仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。2

離子注入型GaN藍(lán)光發(fā)射帶研究故意和非故意摻雜GaN的光致發(fā)光譜中，有時(shí)會(huì)存在一個(gè)定位于2.9eV的藍(lán)光發(fā)射帶，且在不同樣品和摻雜的情況下，其峰位也會(huì)有所變化（約在2.7—3.0eV 范圍內(nèi)）。該藍(lán)光發(fā)光帶一般被認(rèn)為是由淺施主或?qū)蛏钍苤鞯能S遷形成的，該深受主的離化能約為0.34—0.40eV之間。但有人認(rèn)為該發(fā)射帶是由深施主向淺受主的躍遷形成的。 Yang等通過對(duì)Si摻雜GaN光致發(fā)光的研究確定，定位于2.8 eV處的藍(lán)光發(fā)光帶是由 ON形成的淺施主能級(jí)（定位于導(dǎo)帶下方 0.25eV處）向由 VGa-ON復(fù)合體形成的深受主能級(jí)（定位于價(jià)帶上方 0.8eV處）躍遷產(chǎn)生。同樣 Reshchikov 等通過研究光致發(fā)光譜隨激發(fā)光強(qiáng)度和溫度的變化確定藍(lán)光發(fā)射與 VGa有關(guān)。

謝世勇等采用離子注入的方式在GaN中引入Mg，退火前的光致發(fā)光譜中沒有觀測(cè)到藍(lán)光發(fā)射，而退火后，卻觀測(cè)到較強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)射，并確定該藍(lán)光發(fā)射是由位于導(dǎo)帶下0.17 eV的間位 Mg（ Mgi）雜質(zhì)到價(jià)帶上 0.25 eV 的替位Mg（MgGa）受主能級(jí)躍遷和該能級(jí)到價(jià)帶上0.39 eV能級(jí)的躍遷，以及導(dǎo)帶下0.31eV的 MgGa-VN復(fù)合體能級(jí)到MgGa 受主能級(jí)的躍遷產(chǎn)生。 Schubert 等通過對(duì)非故意摻雜GaN光致發(fā)光研究發(fā)現(xiàn)存在一定位于2.9eV處較弱的藍(lán)光發(fā)射，推測(cè)可能是導(dǎo)帶向受主躍遷產(chǎn)生的，但并沒有進(jìn)行深入的研究。李欣等通過對(duì)非故意摻雜的 GaN 進(jìn)行不同激發(fā)光強(qiáng)條件下的光致發(fā)光測(cè)量，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光發(fā)射具有發(fā)光強(qiáng)度弱、并且容易飽和等特點(diǎn)，由此認(rèn)為藍(lán)光發(fā)射屬于施主型發(fā)射，該施 主可能起源 于某些間位 雜質(zhì)。而Kaufmann 等通過對(duì)故意（ Mg 和 Si）和非故意摻雜的 GaN 的室溫光致發(fā)光研究， 提出截然相反的結(jié)論，即藍(lán)光發(fā)光帶是由深施主向淺受主的躍遷。其中深施主為 Mg（ Si）受主與 N 空穴的復(fù)合體，淺受主為 Mg（ Si）。

由于各文獻(xiàn)報(bào)道存在藍(lán)光發(fā)射的非故意摻雜 GaN 均采用 HVPE 和 MOCVD 方法生長(zhǎng)，而采用 MBE 法生長(zhǎng)的 GaN 未發(fā)現(xiàn)藍(lán)光發(fā)射，由此也可推斷，藍(lán)光發(fā)射可能起源于 VGA-Hn 復(fù)合體。該推斷也被 Toth 等采用直接的實(shí)驗(yàn)手段所證實(shí)。 Ghil Lee Sun 等由第一性原理出發(fā)研究了 Mg摻雜 GaN，確定藍(lán)色發(fā)光帶是由深施主到價(jià)帶的躍遷產(chǎn)生，該深施主是由位于價(jià)帶上2.8eV處的Mgi-VN復(fù)合體構(gòu)成。而 Reboredo 和 Pantelides基于第一性原理卻得出了不同的結(jié)論，即能與H結(jié)合的替位間位復(fù)合體是產(chǎn)生藍(lán)光發(fā)射的原因。雖然關(guān)于藍(lán)光發(fā)射的起源問題已經(jīng)做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)方面工作，但仍沒有統(tǒng)一的、確切的結(jié)論。3