xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Εντοπισµός Φορέων σε InGaN/GaN Κβαντικά Φρέατα Φωτοδιόδων
Ανεπτυγµένων µε MOCVD
S.-L. Sahonta 1 , Φ. Κοµνηνού 1* , Γ. Π. ∆ηµητρακόπουλος 1 , Ι. Κιοσέογλου 1 , Θ. Κεχαγιάς 1 ,
Θ. Καρακώστας 1 , C. Salcianu 2 , E.J. Thrush 2
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης
2 Thomas Swan Scientific Equipment Limited, Buckingway Business Park, Swavesey, Cambridge, CB4 5FQ, UK
*komnhnoy@auth.gr
Στην παρούσα εργασία µελετήθηκαν φωτοδίοδοι (light emitting diodes – LEDs) κυανού φωτός αποτελούµενες από πέντε
περιόδους κβαντικών φρεάτων (quantum wells – QW) InGaN δοµής βουρτσίτη. Οι πολυστρωµατικές δοµές InGaN/GaN
αναπτύχθηκαν µε µεταλλοργανική χηµική εναπόθεση ατµών (MOCVD). Οι παρατηρήσεις ηλεκτρονικής µικροσκοπίας
διέλευσης µεγάλης ανάλυσης (high resolution transmission electron microscopy – HRTEM) έδειξαν ότι η περιοχή των
κβαντικών φρεάτων εµφανίζει κατακερµατισµό της δοµής τους και υψηλή πυκνότητα δοµικών ατελειών, παρά την πολύ
καλή εσωτερική κβαντική αποδοτικότητα της διάταξης.
Ο εντοπισµός των εξιτονίων στα κβαντικά φρέατα InGaN αποδίδεται επί του παρόντος στο διαχωρισµό φάσεων εντός του
QW µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία συµπλεγµάτων (clusters) µε υψηλή συγκέντρωση ινδίου. Αυτά συµπεριφέρονται ως
κβαντικά στίγµατα (quantum dots – QD) µε αποτέλεσµα να παρεµποδίζεται η µετακίνηση των φορέων σε κέντρα µη
ενεργών επανασυνδέσεων όπως είναι για παράδειγµα οι νηµατοειδείς εξαρµόσεις [1,2]. Παρ’όλα αυτά από τη µελέτη της
πολυστρωµατικής δοµής InGaN/GaN µε ΗRTEM δεν ανέκυψαν αποδείξεις µαζικού σχηµατισµού συµπλεγµάτων ινδίου
οπότε αναζητήθηκαν εναλλακτικοί µηχανισµοί εντοπισµού των φορέων. Μελετήθηκε ο πιθανός ρόλος του δοµικού
κατακερµατισµού στον εντοπισµό των φορέων και στην ενίσχυση της αποδοτικότητας εκποµπής.
Οι µελέτες φωτοφωταύγειας έδειξαν ότι τα LED εµφανίζουν σχετικά υψηλή εσωτερική κβαντική αποδοτικότητα: 50% για
LED ανεπτυγµένo σε (0001) υπόστρωµα σαπφείρου και 20% για LED ανεπτυγµένο σε (111) υπόστρωµα πυριτίου (Σχήµα
1). Οι παρατηρήσεις ηλεκτρονικής µικροσκοπίας διέλευσης µεγάλης ανάλυσης έδειξαν ότι τα κβαντικά φρέατα στην ενεργό
περιοχή της διάταξης είναι κατακερµατισµένα και εµφανίζουν κενά µήκους από ~5 nm έως 50 nm µεταξύ των οποίων
υπάρχουν αντίστοιχων διαστάσεων διακριτές περιοχές των φρεάτων (Εικόνες 1 & 2). Επίσης, κατά µήκος των φρεάτων
παρατηρούνται σφάλµατα επιστοίβασης στο επίπεδο (0001), περιοχές σφαλεριτικής επιστοίβασης, και διακυµάνσεις του
πάχους (Εικόνες 2 & 3). Οι ατέλειες αυτές δεν εµφανίζονται να έχουν σηµαντική επίδραση στην αποδοτικότητα της
διάταξης. Τα σφάλµατα επιστοίβασης και η σφαλεριτική επιστοίβαση δεν εισάγουν ηλεκτρονικές στάθµες στο ενεργειακό
χάσµα [3], και εποµένως δεν αναµένεται να έχουν αρνητική επίδραση στην αποδοτικότητα. Επιπρόσθετα, δεν
παρατηρήθηκαν συµπλέγµατα υψηλής συγκέντρωσης ινδίου και εποµένως ο µηχανισµός του εντοπισµού των φορέων πρέπει
να αναζητηθεί στον κατακερµατισµό των φρεάτων. Προτείνεται ότι οι περιοχές των κατακερµατισµένων φρεάτων
συµπεριφέρονται ως «κβαντικά κουτιά» (quantum boxes) µε αποτέλεσµα τον περιορισµό των φορέων και την αύξηση των
ενεργών επανασυνδέσεων ηλεκτρονίων-οπών.
[1] Ho Ι., Stringfellow G.B., Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 2701.
[2] El-Masry N. A., Piner, E. L., Liu, S. X., Bedair, S. M., Appl. Phys. Lett., 72, (1998) 40.
[3] Stampfl C., Van de Walle C. G., Phys. Rev. B 57 (1998) 24 LII-LV.
Ευχαριστίες: Η παρούσα εργασία υποστηρίχθηκε από την ΕΕ διαµέσου του προγράµµατος MRTN-CT-2004-005583
(PARSEM).
Quantum Efficiency (%)
InGaN/GaN
LED on SI
E = 4.275 eV
01/04/05
~20%
g
Σχήµα 1. Η εσωτερική κβαντική
αποδοτικότητα ενός LED
ανεπτυγµένου σε (111) Si, όπως
προέκυψε από µετρήσεις
φωτοφωταύγειας σαν συνάρτηση της
θερµοκρασίας. Στη θερµοκρασία
δωµατίου η αποδοτικότητα είναι
20%, µία µέση τιµή για GaN LEDs on
Si.
10
0 100 200 300
T (K)
20 nm
14