InN的光致發光特性研究*

王 健 謝自力 張 榮 張 韻 劉 斌 陳 鵬 韓 平

(南京大學電子科學與工程學院，江蘇省光電信息功能材料重點實驗室，南京 210093)

(2012年8月29日收到;2013年1月28日收到修改稿)

1 引言

近年來，隨著InN的帶隙逐漸被證實為0.7 eV[1,2]，InN以其本身具有的特殊的物理性質以及潛在的應用價值，正在逐漸受到人們的關注.與其他的Ⅲ族氮化物相比，InN具有最小的電子有效質量、最高的電子遷移率以及最高的飽和電子漂移速度[3-5].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域，在光電子器件方面有著重要的應用.但是由于InN的生長缺乏晶格常數以及熱膨脹系數都匹配的襯底材料，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以及生長方法的改進，利用分子束外延(MBE)以及金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)已經可以制備得到高質量的InN薄膜.Wang等采用邊界溫度控制外延的MBE生長方式生長出遷移率為 3280 cm2·V-1·s-1，載流子濃度為1.47×1017cm-3的高質量的InN薄膜[6].Miller等人證實了在Mg摻雜的InN中，在某一摻雜濃度范圍內材料內部會實現p型，但是表面依然是n型，同時根據PL譜推算Mg的摻雜能級在價帶之上約70 meV[7].但是由于材料質量的限制，目前對MOCVD制備的InN薄膜性質的研究還相對缺乏.

本文重點研究了利用MOCVD制備的InN薄膜的光致發光(PL)特性，分析了PL譜與半導體帶隙以及載流子濃度之間的關系，同時觀察了溫度對材料發光特性的影響.

2 實驗

實驗中InN薄膜是采用了Thomas Swan MOCVD生長系統，在α—Al2O3藍寶石(0001)的襯底上進行的異質外延生長.生長前首先通入NH3，在1150°C的條件下對襯底進行氮化，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25 nm，然后在605°C的條件下生長InN外延層，生長時間為2.5 h，壓強為 300 Torr(1 Torr=1.33322×102Pa)，生長厚度大約為300 nm.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，載氣采用氮氣(N2).

實驗對InN進行了光致發光研究，采用了傅里葉變換紅外光譜儀接受系統，激發光源為532 nm的半導體激光器，探測器為工作于液氮溫度下的InSb，其響應波段為1.1—5.4μm.變溫過程溫度測量采用的是小型銠鐵電阻溫度計，分辨率為0.1 K.

3 結果與分析

3.1 理論模型

圖1給出了本征與簡并半導體的能帶說明[8]，InN本身具有很高的背景電子濃度，費米能級在導帶之上，是簡并半導體.從圖中我們可以得到如下關系：

其中EPL(n)為光激熒光光譜峰值能量，Eg(n)為InN的帶隙，EF(n)為費米能級.同時由于能帶重整效應所產生的帶隙隨載流子濃度增加而減小的影響，我們可以得到

其中Eg為本征InN的帶隙，當載流子濃度趨近于零時，Eg(n)趨近于Eg·ΔEg(n)為能帶重整效應所產生的能帶收縮，n為載流子濃度.

3.2 實驗結果與討論

其中γ為與能量有關的參數，對于InN而言，2≤γ≤4，f為費米狄拉克函數.擬合后我們可以得到Eg(n)=0.67 eV，這個值與文獻中報道的InN的光學禁帶寬度在0.65—0.8 eV的結果一致[10].同時我們可以得到另外兩個參數：γ=3.1，EF=0.11 eV.

在各向同性條件下，EF與載流子濃度的關系式為[9]

其中m0為自由電子質量，me為有效電子質量，并且me=0.1m0，這樣我們就可以根據上式求出載流子濃度n=5.4×1018cm-3.

通過以上辦法，我們實現了在已知InN的PL圖譜的情況下求出該InN半導體材料的帶隙以及費米能級的位置，并且根據相關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系.

為了研究InN的光致發光隨溫度的變化行為，我們測量了樣品在13—300 K變溫下的PL譜，如圖3所示.

圖2 低溫(13 K)下的InN的PL圖譜

圖3 InN薄膜從13 K到300 K的變溫PL譜

從圖中我們可以很明顯的看出，隨著溫度的升高，InN的帶邊發光峰的強度不斷減弱，為了更清楚的看出發光峰位隨溫度的變化，圖4給出了不同溫度下發光峰的位置.

可以看出，隨著溫度的升高，帶邊發光峰逐漸紅移，這種變化可以用下式來解釋：

其中Eg(0)為0K下光致發光峰，式中第二項是表現帶隙隨溫度升高而收縮的Varshni項，第三項代表了局域化作用，σE為載流子的局域化能量[11,12].通過擬合我們可以得到Eg(0)=0.77 eV，描述電子聲子相互作用對能帶影響的γ=0.14 meV，德拜溫度β=864 K，與已有文獻中的報道值接近[13,14].而擬合得到的σE很小，可以看出此樣品中的載流子局域化作用并不明顯.值得注意的是，文獻中提到InN的發光峰位隨溫度會有“S”形非單調變化，原因在于InN中隨機分布的雜質和缺陷態會產生載流子局域態，在溫度較低時，載流子被凍結在局域態的低能量位置，導帶和價帶帶尾的局域態之間的躍遷在光致發光中占主導作用，隨著溫度升高，熱化能量使載流子能夠越過局域態勢壘成為自由載流子，此時光致發光主要在導帶和價帶頂之間進行.同時溫度升高帶來的能帶收縮效應也會對InN的光致發光峰位產生影響，故最終會表現為“S”形.但在此我們并沒有觀察到文獻中所提到的發光峰位隨溫度的“S”形變化，這種現象與我們得到的很小的σE的結果也是符合的.產生這種結果的原因可能是由于我們得到的光致發光光譜圖半高寬較寬，使得能量位置的紅移以及藍移變得不明顯[15]，同時這種差異也可能與載流子濃度以及內建電場強度相關[16].

圖4 InN的發光峰位隨溫度的變化

4 結論

本文研究了通過MOCVD制備的InN薄膜的光致發光特性.基于InN本身很高的載流子濃度，利用它的能帶結構關系以及相關公式擬合PL圖譜，可以得到材料的帶隙為0.67 eV以及載流子濃度n=5.4×1018cm-3，從而找到了一種通過PL圖求載流子濃度的方法.同時通過測量變溫條件下InN的PL圖，發現隨溫度升高發光強度逐漸降低，并且發光峰的位置逐漸紅移，這是由于隨著溫度的升高，帶隙逐漸減小所造成的.之所以沒有出現文獻中提到的“S”形非單調變化，主要是因為實驗中得到的光致發光譜的半高寬太高所致.

感謝北京中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室的陳涌海教授和葉小玲老師，感謝張世著師兄對本實驗的指導以及討論.

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