Effect of Carrier Confinement and Optical Properties of Two-dimensional Electrons in Al0.3Ga0.7N/GaN and Al0.3Ga0.7N/GaN/Al0.15Ga0.85N/GaN Heterostructures

We have investigated optical and structural properties of $Al_{0.3}Ga_{0.7}N$/GaN and $Al_{0.3}Ga_{0.7}N/GaN/Al_{0.15}Ga_{0.85}N/GaN$ heterostructures (HSs) grown by metal-organic chemical vapor deposition, by means of Hall measurement, high-resolution X-ray diffraction, and temperature- and excitation power-dependent photoluminescence (PL) spectroscopy. A strong GaN band edge emission and its longitudinal optical phonon replicas were observed for all the samples. At 10 K, a 2DEG-related PL peak located at ${\sim}\;3.445\;eV$ was observed for $Al_{0.3}Ga_{0.7}N$/GaN HS, while two 2DEG peaks at ${\sim}\;3.42$ and ${\sim}\;3.445\;eV$ were observed for $Al_{0.3}Ga_{0.7}N/GaN/Al_{0.15}Ga_{0.85}N/GaN$ HS due to the additional $Al_{0.15}Ga_{0.85}N$ layers. Moreover, the emission intensity of the 2DEG peak was higher in $Al_{0.3}Ga_{0.7}N/GaN/Al_{0.15}Ga_{0.85}N/GaN$ HS than in $Al_{0.3}Ga_{0.7}N$/GaN HS probably due to an effective confinement of the photo-excited holes by the additional $Al_{0.15}Ga_{0.85}N$ layers. The 2DEG-related emission intensity decreased with increasing temperature and disappeared at temperatures above 150 K. To investigate the origin of the new 2DEG peaks, the energy-band structure for multiple AlGaN/GaN HSs were simulated and compared with the experimental data. As a result, the observed high- and low-energy peaks of 2DEG can be attributed to the spatially-separated 2DEG emissions formed at different AlGaN/GaN heterointerfaces.

Al0.3Ga0.7N/GaN 및 Al0.3Ga0.7N/GaN/Al0.15Ga0.85N/GaN 이종접합 구조에서 운반자 구속 효과와 이차원 전자가스의 광학적 특성

금속 유기화학 증착기 (metal-organic chemical vapor deposition)를 이용하여 사파이어 기판 위에 $Al_{0.3}Ga_{0.7}N$/GaN 및 $Al_{0.3}Ga_{0.7}N/GaN/Al_{0.15}Ga_{0.85}N/GaN$ 이종접합 구조들을 성장하고, 이들 시료의 전자와 정공들 간의 구속 효과를 조사하기 위하여 광학적, 구조적 특성을 비교하였다. 저온 (10 K) photoluminescence 실험으로부터 $Al_{0.3}Ga_{0.7}N$/GaN 단일 이종접합 구조의 경우 3.445 eV에서 단일의 이차원 전자가스 (two-dimensional electron gas; 2DEG) 관련된 발광을 관찰한 반면, $Al_{0.3}Ga_{0.7}N/GaN/Al_{0.15}Ga_{0.85}N/GaN$ 다중 이종접합 구조의 경우 3.445 eV에서 뿐만 아니라, 3.42 eV에서 추가적인 2DEG 관련된 발광을 관찰 할 수 있었다. 이 두 개의 2DEG 관련 신호들의 근원을 조사하기 위하여 $Al_{0.3}Ga_{0.7}N/GaN/Al_{0.15}Ga_{0.85}N/GaN$ 다중 이종접합구조에서의 에너지 밴드 구조를 이론적으로 계산하여 실험과 비교한 결과, 하나의 2DEG에 의한 서로 다른 버금띠로 부터가 아닌 다중 구조에 형성된 두 개의 2DEG로부터의 신호로 해석되었다.