In this thesis, the defect-related luminescence of GaN films were investigated by using optical measurements such as photoluminescence (PL), photoluminescence excitation (PLE), and Raman spectroscopy. GaN films were grown by hydride vapor phase epitaxy (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) methods. We optimized the growth conditions of HVPE method and evaluated the physical quantities, such as the many body interactions of electrons, the Burstein-Moss shift, and the band tailing, as a function of electron concentrations.
We also made careful study of the mechanism of Mg-related luminescence and the yellow luminescence. In the PL spectra of Mg-doped GaN grown by MOCVD method at various Mg concentrations, the peaks around 2.8∼2.9 eV which were related to the Mg doping were observed. This blue emission band is known to be due to the transition from the conduction band to the Mg-related deep acceptor. In unintentionally Mg-doped n-GaN grown by HVPE, defect-related red and blue emission bands around 1.85 eV and 2.90 eV, respectively, are observed in addition to the well known yellow emission band around 2.2∼2.3 eV. Thermal annealing in vacuum at 700℃ for 30 minutes has reduced the intensity of all the defect-related emissions, but the intensity ratio of the red to the blue emission have not changed. This fact suggests that the red and the blue emission bands may come form the same origin, i.e., the defect induced by the Mg doping. The overlapped PL spectrum in the range of 1.4∼2.4 eV (the red + yellow emission bands) was deconvoluted using the Gaussian line shape functional form. The half width W(T) for the red and the yellow emission bands are described by a configuration coordinate (CC) model,
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To discern the emission involving complex from that involving isolated defects, we measured the temperature-dependent PLE spectra of all these emission bands. Using a model CC diagram, we showed that all the temperature-dependent PL and PLE spectra of the red, the yellow, and the blue emission bands could be explained consistently. Our CC diagram, based on the existence of the deep donor, the Mg-shallow acceptor, and the Mg-related deep acceptors can explain all the defect-related sub-bandgap PL bands showing strong electron-lattice coupling.
The blue emission is attributed to the transition from the conduction band to the Mg-related deep acceptor and the red emission band is attributed to the transition from the deep donor to the Mg-related deep acceptor. The CC diagram shows that the mechanism of the yellow luminescence is due to the transition from a deep donor state to a shallow acceptor state. Even though a model involving the electron transition from the shallow donor state to the deep acceptor state is prevailing in the literature, this model can not explain the intensity increase of the bandgap energy excitation with temperature.
We discussed a possible origin of the deep donor responsible for the red and the yellow emission bands and also calculated the activation energy of the deep donor state in our CC model. We assume the same curvature for the configuration curves of the ground state and the excited state which are involved in the yellow emission. The activation energy of the deep donor is estimated to be about 0.45 eV and this value coincides with that observed in n-GaN by the deep level transient spectroscopy.
본 연구에서는 비교적 양질의 에피층을 이용해 GaN의 광학적 특성을 photoluminescence (PL)와 photoreflectance (PR), Raman, photoluminescence excitation (PLE)등의 방법을 이용해 분석함으로써 GaN에 대한 전반적인 이해를 돕고자 한다. 시료는 hydride vapor phase epitaxy (HVPE), MBE, 그리고 MOCVD 방법으로 길러진 양질의 에피층을 이용하여 기판의 종류와 성장 조건에 따른 광특성을 분석하고, 이를 이용해 양질의 에피층을 만들 수 있는 조건을 제시하였다. 또한 에피층의 PL 스펙트럼이 가지는 특성을 분석함으로써 불순물의 에너지 준위를 확인하고, 농도에 따른 변화를 (예를 들면, 전자들간의 many body interaction, Burstein-Moss shift, band tailing 등) 정량화 하였다. 한편, Photoreflectance 실험에서는 운반자의 농도 변화에 따른 전기장 변조뿐만 아니라, mobility가 작은 운반자들의 행동을 분석함으로써 PR에 대한 이해를 넓히고자 한다.
이와 더불어서 아직 까지도 많은 논란이 되고있는 Mg을 도핑한 GaN의 발광 특성 및 yellow emission band의 근원을 밝히려는 연구도 수행하였다. MOCVD 방법으로 키워진 Mg을 도핑한 시료의 PL 스펙트럼을 분석하여 2.8∼2.9 eV 영역에 나타나는 blue emission band가 conduction band와 Mg과 관련된 deep level 사이에서 일어나는 전이라는 것을 알 수 있었다. HVPE 방법으로 키워진 unintentionally Mg-doped n형 GaN를 이용해서 Mg과 관련이 있다고 믿어지는 red와 blue emission band, 그리고 거의 모든 시료에서 나타나는 yellow emission band의 PLE 스펙트럼을 10 K에서 상온까지 온도를 변화시키면서 측정하였다. 한편, annealing 실험을 통해서 red와 blue emission band들이 Mg으로 유도된 deep level 불순물과 관련이 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 온도 변화에 따른 PLE 스펙트럼에서는 red와 yellow emission에 공통의 excited state가 관계되어 있음을 알 수 있었고, 그 공통의 excited state가 deep donor 임을 확인할 수 있었다. 이상과 같은 결과들을 많은 phonon들이 관련된 deep level 사이의 전이를 잘 설명하는 configuration coordinate (CC) 모델에 적용하여 CC diagram으로 표현하였다. CC 모델은 PL 스펙트럼에 나타난 모든 emission band를 성공적으로 설명하였고, 온도 변화에 따른 PLE 스펙트럼의 line shape analysis를 통해서 구한 thermal barrier의 존재도 훌륭하게 설명하였다. 또한 CC diagram에서 yellow emission band는 deep donor와 shallow acceptor 사이의 전이라는 결론을 얻었고, deep donor와 shallow acceptor의 CC curvature가 같다는 가정 하에서 구한 deep donor의 binding 에너지는, deep level transient spectroscopy 실험을 수행하여 얻은 다른 연구결과들과 유사한 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 GaN에 intrinsic deep donor가 존재한다는 것을 의미하는데 그 근원에 대해서 논의하였다.
