Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/24885
Title: Optical characterization of cubic and hexagonal GaN
Author: Seitz, Roland Reinhard Ludwig
Advisor: Monteiro, Teresa
Pereira, Maria Estela Miranda Faustino Malaquias
Keywords: Nitreto de gálio - Propriedades ópticas
Física
Dispositivos optoelectrónicos
Estrutura cristalina
Semicondutores
Transições electrónicas
Defense Date: 2001
Abstract: GaN and related materials are of paramount interest because of the possible applications for optoelectronic devices operating in the blue and UV range. GaN can be grown in a stable wurtzite and a metastable cubic phase, which has attracted attention only recently because it is much more difficult to grow. However, theoretical calculations predict essential advantages of the cubic phase. In this work the optical properties of both, cubic and hexagonal GaN were analysed and compared. Raman spectroscopy was used to characterize the quality and structural purity of the samples. The individual optical transitions occurring in both phases were analysed with photoluminescence and reflectance spectroscopy. The influence of temperature, excitation intensity and delay time after pulse excitation were used to clarify the nature of the transitions. Some of the transitions were already discussed in literature, however in most of the cases there is not a commonly accepted interpretation. Therefore, in addition to completely new transitions, already discussed transitions were studied to achieve a complete picture of the optical processes. Since most of the transitions that appear in semiconductors are related to the band gap, the temperature dependency of the gap was determined via the free exciton resonances. From the broadening of the resonances it could be clearly shown that coupling to both, optical and acoustic phonons, is present, in contrast to reports in literature. The emission spectra of GaN are often dominated by transitions related to either intrinsic or extrinsic impurities. Si and Mg are used to achieve n-type and p-type conductivity in GaN, respectively. Si-doping leads in both phases to broad near-band-edge emissions which can be ascribed to transitions from a Si-donor band to the valence band. The donor band develops from a Si donor level with increasing Si concentration. The temperature behaviour of the emission shows that bandgap-renormalization is very important. Also doping with Mg leads in both phases to similar emissions. Slight Mg-doping introduces an acceptor level that is the origin of a free-to-bound emission. Heavy Mgdoping creates in addition to a rather shallow acceptor level compensating deep donor levels. The photoluminescence spectra are then dominated by broad emission bands, which are composed of various donor-acceptor-pair transitions. In almost all non-intentionally-doped samples an emission occurs at round 2.2eV. This so-called yellow band shows clearly donoracceptor- pair behaviour, although in one sample additional levels can change the recombination kinetics of the emission. The emission is suppressed in p-type doped hexagonal which shows residual p-type conductivity. The formation energy of one of the defects involved in yellow band emission seems to be very high in p-type material. Oxygen doping introduces a donor level in hexagonal GaN which gives rise to a donorbound- exciton and a bound-to-fee emission. At the moment the structural quality of hexagonal GaN is much higher and the emissions related to the band gap are therefore much straighter. However with the theoretical advantages of the cubic phase in mind it will be only a matter of time until the quality of cubic GaN will equal the quality of hexagonal GaN.
O nitreto de gálio (GaN) e materiais afins têm hoje uma importância primordial dada a possibilidade de aplicação em dispositivos optoelectrónicos que operem na gama espectral do azul e ultravioleta. Este material pode ser crescido quer numa fase estável com estrutura cristalina hexagonal (wurtzite) quer em fase metaestável de simetria cúbica (blenda de zinco). Só muito recentemente é que a fase cúbica tem sido mais estudada, dadas as dificultades que se apresentam no crescimento do nitreto de gálio com este tipo de simetria. Contudo diversos estudos teóricos prevêem que a simetria cúbica ofereça mais vantagens para posteriores aplicações do que a fase hexagonal. Neste trabalho são analisadas e comparadas as propriedades ópticas de ambas as fases de crescimento de GaN. A espectroscopia de Raman foi usada como técnica de caracterização da qualidade cristalina e pureza estrutural das amostras. Cada uma das transições ópticas que ocorrem em ambas as fases foram analisadas usando fotoluminescência e reflectividade. A influência da temperatura, da intensidade e da energia de excitação e ainda o comportamento com o tempo após a excitação com luz pulsada, permitiram clarificar a natureza das transições ópticas. Existem já publicados diversos estudos referentes a muitas das transições ópticas aqui em foco, no entanto nem sempre a interpretação física dos fenómenos é consensual. Assim para além de novas transições ópticas, são também estudadas as emissões já conhecidas por diversos autores, numa tentiva de estabelecer um quadro geral dos processos ópticos que ocorrem no nitreto de gálio. Uma vez que a maior parte das transições observadas nos semicondutores estão relacionadas com a banda de energia proibida, a dependência da energia de hiato com a temperatura foi determinada através da ressonância dos excitões livres. Contrariamente ao publicado na literatura verifica-se o acoplamento dos excitões a ambos os modos vibracionais, ópticos e acústicos, dos fonões. O que ficou claro pelo alargamento espectral da estructura associada à ressonância dos excitões. Os espectros de emissão do GaN são normalmente designados pelas transições relacionadas com as impurezas, sejam intrínsecas ou extrínsecas. O Si e Mg são dopantes usados para a obtenção de condutividades tipo n e tipo p, respectivamente. Em ambas as fases cristalinas a dopagem com Si conduz a uma emissão próxima da energia de hiato que é atribuída a transições da banda do Si-dador para a banda de valência e que depende da concentração do dopante. O efeito da renormalização da banda proibida é considerado para interpretar o comportamento desta emissão. Em amostras dopadas com Mg são observadas emissões semelhantes. A dopagem com Mg, quando moderada, introduz um nível aceitador que está na origem da emissão entre um portador livre e um portador ligado. Quando a dopagem é elevada para além de níveis aceitadores superficiais têm-se níveis dadores profundos, que compensam os primeiros. Os espectros de fotoluminescência são dominados por bandas de emissão largas, correspondentes às várias transições associadas a pares dador-aceitador. Em praticamente todas as amostras não intencionalmente dopadas observa-se uma emissão que ocorre a 2,2 eV. Esta emissão, normalmente designada por banda amarela, ilustra perfeitamente o comportamento da recombinação par dador–aceitador, no entanto a presença de níveis adicionais podem alterar a cinética de recombinação par dador-aceitador, no entanto a presença de níveis adicionais podem alterar a cinética de recombinação desta emissão. Esta emissão é suprimida em amostras de GaN hexagonal tipo p e não é detectada em amostras cúbicas não intencionalmente dopadas, que apresentam uma condutividade residual tipo p. O que indica que a energia de formação dos defeitos associados à banda amarela é bastante elevada em amostras tipo p. A dopagem com oxigénio introduz níveis dadores no GaN hexagonal que leva a emissões relacionadas com recombinação entre um portador ligado para um livre e entre o excitão ligado ao dador. Até ao momento a qualidade estrutural do GaN hexagonal é muito mas elevada e consequentemente as emissões relacionadas com a banda proibida são muito mais estreitas. No entanto, tendo presente a vantagem do GaN cúbico face às aplicações tecnológicas é apenas uma questão de tempo para que seja desenvolvida tecnologia que suprima as dificuldades de crescimento do GaN cúbico.
URI: http://hdl.handle.net/10773/24885
Appears in Collections:UA - Teses de doutoramento
DFis - Teses de doutoramento

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