The core structure of dislocations and recombination properties of gallium nitride

Abstract

Нитрид галлия (GaN) и другие тринитриды, благодаря широкой запрещенной зоне и высокой теплопроводности, являются перспективными материалами для разработки новых светодиодных и силовых полупроводниковых приборов. В большинстве случаев GaN выращивают на подложках из сапфира (или карбида кремния), что приводит к большой плотности ростовых дислокаций, которые негативно влияют на рабочие параметры приборов. С другой стороны, в последних исследованиях было обнаружено, что свежевведенные (индентированием или царапанием) a-винтовые дислокации могут являться эффективными источниками ультрафиолетового излучения. В частности, в наших исследованиях было обнаружено, что а-винтовые дислокации в низкоомных образцах имеют сильную полосу люминесценции 3,15-3,18 эВ, тогда как их узлы пересечения люминесцируют с другой энергией 3,3 эВ. А в полуизолирующем GaN в работе Albrecht et al. 2014 энергия такой линии люминесценции составляла около 3,346 эВ, где дислокации имели нерасщепленную структуру ядра. Объяснение этих результатов требовало изучения методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) структуры ядра свежевведенных а-винтовых дислокаций в низкоомном GaN. В настоящей работе методами ПЭМ и СПЭМ исследовалась тонкая структура ядер дислокаций, введенных наноиндентированием в низкоомный, специально нелегированный GaN. Образцы с ориентацией поверхности (0001) сначала утонялись механически с тыльной стороны до толщин меньше 100 мкм. Затем на ростовую поверхность GaN наносилась сетка уколов 6x6 с шагом в 75 мкм и нагрузкой ~600 мН. Далее, и с помощью ионного травления с тыльной стороны в Gatan PIPS были получены фольги для ПЭМ исследований. Определение типов и пространственного распределения дислокаций было проведено в ПЭМ Philips CM200 в двулучевом режиме. Вблизи укола образовалась небольшая аморфная зона, с границ которой начинают распространяться прямолинейные, определенные как a-винтовые дислокации во всех {1-210} направлениях, оканчивающиеся полусидячими петлями, в направлении их распространения. Изгибы дислокационных линий происходят на их пересечениях. Образующиеся узлы были исследованы в СПЭМ режиме Zeiss Libra 200FE с помощью HAADF-детектора, что позволило уменьшить изгибные контрасты, увеличить просвечиваемую толщину образца, а также резкость дислокационных линий. Дислокации диссоциируют на частичные по реакциям для векторов Бюргерса: 1/3[-12-10] = 1/3[-1100]+1/3[01-10] - с шириной расщепления ~5-7 нм. Для a-винтовых дислокаций это соответствует образованию двух частичных 30°- дислокаций, ограничивающих дефект упаковки типа I2 , который является квантовой ямой кубической фазы с меньшей шириной запрещенной зоны. Расщепленные дислокации образуют расширенные узлы двух типов: треугольные и двойные треугольные – с линейными размерами ~15 нм. Результаты исследований катодолюминесценции наноиндентированных образцов подтвердили их полное совпадение с полученными ранее данными на дислокациях, введенных микроиндентированием и нанесением царапин.

GaN and other III-nitrides due to their direct wide bandgap and high temperature stability are promising materials for developing of new light-emitting devices (LEDs) and high-power devices. Economically most suitable way to manufacture such semiconductors is to grow them heteroepitaxially on sapphire. Unfortunately, notable differences both in lattice constants and in thermal expansion coefficients between semiconductor and substrate lead to a very high density of threading dislocations, which reduce significantly LEDs efficiency. Nevertheless, recent investigations showed that freshly introduced in basal plane (0001) dislocations in GaN could be effective UV light sources of the intensity that exceeds well free exciton one. In particular, in our studies it was found that a-screw dislocations in low-ohmic samples exhibited strong luminescence band at 3.15-3.18 eV whereas their intersection nodes luminesced with the other energy of 3.3eV. On the other hand, in semi-insulating GaN in work of Albrecht et al 2014 the energy of such luminescence line was about 3.346 eV where the dislocations exhibited perfect core structure. An explanation for these results required transmission electron microscopy (TEM) data on core structure of freshly introduced a-screw dislocations in low-ohmic GaN. For TEM studies samples of low-ohmic, specially undoped GaN crystalline films grown on sapphire on the (0001) plane were used. First, they were mechanically grinded to the thickness less than 100 μm. Then the grid of indentation pricks with step of ~75 μm under a load of ~500mN were applied on the surface with Nano Indenter G200 (Berkovich tip). Finally, the films were thinned to electron transparency and polished with argon ions with PIPS Gatan. Preliminary overall study of applied samples was performed with TEM Philips CM200 in two-beam conditions. The closest area to the prick was amorphous with some single strongly bent dislocations. From its border propagates the grid of dislocation lines stretched in all {1-210} directions with half-loops at their ends. They were identified using g.b criterion as a-screw ones. In the vicinity of the intersection points the straight dislocations became bent creating extended nodes. These nodes and dislocations core structure were studied more closely via scanning mode of Zeiss Libra 200FE, which reduced bending contrasts from material, increased transparent thickness and also improved roughness of dislocation lines with use of high angle annular dark field detector(HAADF). It was discovered that dislocations dissociated in two partials of 30°-Shockley type bounded I2 stacking fault ribbons. Two types of the extended nodes were observed: single-triangle and double-triangle ones. The dissociation width of straight dislocations was in the ranges 5-7 nm while the radius of the nodes was of about 15 nm. The obtained results allowed to explain the difference in the spectral position of dislocation-related luminescence(DRL) in low-ohmic , and semi-insulating GaN to be due to different core structure of the dislocation in these two types of the material. The DRL red shift of 0.15 eV in semi-insulating samples was explained with the help of recently developed theory that predicted the existence of attractive conduction band bending at screw dislocations which is absent in deformation potential theory. The theory of the energetics of dissociated screw dislocations is absent up to now and is needed to be developed to explain quantitatively there luminescent properties.