STUDY OF EXCITON HOPPING IN AlGaN EPILAYERS BY PHOTOLUMINESCENCE SPECTROSCOPY AND MONTE CARLO SIMULATION ^∗
K. Kazlauskas^a, G. Tamulaitis^a, A. Žukauskas^a, J. Mickevičius^b, M.S. Shur^b,
R.S. Qhalid Fareed^c, J.P. Zhang^c, and R. Gaska^c
aInstitute of Materials Science and Applied Research, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
^bDepartment of ECE and CIE, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY 12180, USA
E-mail: juras.mickevicius@ff.vu.lt
^cSensor Electronic Technology, Inc., Columbia, SC 29209, USA

Received 13 December 2005

Ternary AlGaN alloys are very promising for production of light-emitting diodes and laser diodes operating in deep ultraviolet range. Achieving shorter emission wavelength requires incorporation of higher aluminium content, which is still a major technological problem due to poor quality of the high-Al-content epilayers. We report on a comparative study of AlGaN epilayers with the same aluminium content, but grown by using different techniques. The temperature dependences of photoluminescence peak and bandwidth were found to exhibit “anomalous” S-shaped and W-shaped behaviour, respectively, which are known as a signature of exciton hopping through localized states. To evaluate the potential profile of the localized states, Monte Carlo simulations have been performed. Fitting of the simulation results with experimental data revealed that the potential profile in both AlGaN epilayers can be characterized by two nearly equal fluctuation scales. Exciton hopping occurs within the potential fluctuations (dispersed on the first scale) in isolated regions with the average energy of the localized states dispersed on the second scale. Both scales were found to be almost independent of the growth techniques used. Correlation of this potential profile with the lifetimes measured using time-resolved photoluminescence and light-induced transient grating techniques is discussed.

EKSITONŲ ŠOKAVIMO AlGaN SLUOKSNIUOSE TYRIMAS FOTOLIUMINESCENCINE SPEKTROSKOPIJA IR MONTE KARLO MODELIAVIMU
.K. Kazlauskas^a, G. Tamulaitis^a, A. Žukauskas^a, J. Mickevičius^b, M.S. Shur^b, R.S. Qhalid Fareed^c, J.P. Zhang^c, R. Gaska^c
aVilniaus universitetas, Vilnius, Lietuva
^bRensselaer politechnikos institutas, Troja, Niujorko valst., JAV
^cSensor Electronic Technology, Kolumbija, Pietų Karolinos valst., JAV

Trinariai AlGaN dariniai yra perspektyvūs ultravioletinių šviestukų ir lazerių gamybai, tačiau didinant aliuminio kiekį iškyla didelės technologinės problemos, susijusios su AlGaN sluoksnių kokybe. Šiame darbe palygintos dviejų AlGaN epitaksinių sluoksnių, išaugintų skirtingais metodais, savybės. Sluoksniai yra charakterizuojami panaudojant fotoliuminescencijos, fotoliuminescencijos su laikine skyra ir indukuotų dinaminių gardelių metodikas. Išmatuotos fotoliuminescencijos juostos smailės ir pločio temperatūrinės priklausomybės yra anomalios S ir W formos. Tai parodo, kad žemoje temperatūroje sluoksniuose vyrauja eksitonų šokavimas per lokalias būsenas. Šis reiškinys buvo tyrinėjamas modeliuojant eksitonų šokavimą Monte Karlo metodu, derinant modeliavimo rezultatus su ekperimentiškai gautomis priklausomybėmis ir tokiu būdu nustatant potencialo profilį. Iš gautųjų rezultatų paaiškėjo, kad potencialo profilis abiejuose AlGaN sluoksniuose gali būti kiekybiškai apibūdinamas tik panaudojus dvejopo mastelio fliuktuacijų modelį. Pagal tokį modelį eksitonai šokuoja per lokalias būsenas, atsiradusias dėl potencialo fliuktuacijų su tam tikra dispersija žemesnio potencialo srityse su mažesniu nei vidutinis aliuminio kiekiu. Šių sričių vidutinė eksitono energija yra pasiskirsčiusi pagal kitą mastelį. Nustatytas potencialo profilis yra labai panašus abiejuose sluoksniuose, nepriklausomai nuo jų auginimo technologijos. Todėl eksperimentuose su laikine skyra gautą didelį krūvininkų gyvavimo trukmių skirtumą lemia nespindulinės rekombinacijos centrų tankio skirtumas, kuris atsiranda dėl nevienodų auginimo sąlygų.