Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Свойства, применение и особенности получения нитридов металлов третьей группы 10
1.1. Основные свойства и применение Ш-нитридов 10
1.2. Способы получения эпитаксиальных плёнок нитридов металлов третьей группы 17
Глава 2. Экспериментальные методики и постановка экспериментов 27
2.1. Конструктивные и функциональные особенности установки ЭПН-1 27
2.1.1. Структура установки ЭПН-1 27
2.1.2. Подготовка и проведение эпитаксиального роста на установке ЭПН-1 34
2.2. Конструктивные и функциональные особенности установки RIBER 32Р. 37
2.2.1. Структура установки RIBER 32Р 37
2.2.2. Особенности использования яркостного пирометра для контроля ростового процесса в молекулярно-пучковой эпитаксии 44
2.2.3. Подготовка и проведение эпитаксиалъного роста на установке RIBER 32P 50
2.2.4. Особенности использования силона для легирования Ш-нитридов кремнием в установке RIBER 32Р. 51
2.2.5. Особенности использования зффузионной ячейки в качестве источника магния 55
2.3. Измерение параметров эпитаксиальных структур 57
2.4. Постростовое технологическое оборудование и методики 61
2.4.1. Реактивное ионно-плазменное травление 61
2.4.2. Омические контакты к легированным слоям п- и р-типа проводимости 67
Глава 3. Рост полупроводниковых слоев AJN, GaN и твердых растворов на их основе методом молекулярно-пучковои эпитаксии 71
3.1. Начальная стадия эпнтаксиального роста 71
3.1.1. Эпитаксиальный рост на Si (111) 72
3.1.2. Эпитаксиальный рост на А1203 (0001) 80
3.2. Кинетика эпитаксиального роста нитридов Ш-группы.. 87
3.3. Кристаллические и оптические свойства коротко-периодных сверхрешёток AIN/AlGaN . 93
Глава 4. Получение и свойства светодиодов с излучением в УФ области на основе гетероструктур AIGaN 100
4.1. Легирование сплавов AIGaN. 100
4.1.1. Легирование слоев AlxGaj.xN кремнием в диапазоне составов 0.5бс<1.00 100
4.1.2. Легирование слоев AlxGaj xNмагнием в диапазоне составов 0 4.1.3. Легирование и электрические свойства короткопериодных сверхрешёток 119 4.2. Оптические и электрические свойства светодиодов, излучающих в дальней УФ области 127 4.3. Рост и оптические свойства квантовых точек AIGaN... 135 Заключение 145 Выводы 147 Список литературы 149 Введение к работе Актуальность темы Абрам Фёдорович Иоффе — создатель отечественной физической школы (Алфёров, 2005) придавал большое значение развитию полупроводниковой техники, мечтал на её основе создать «электронный агроном» (Иоффе, 1955; Иоффе, 1957; Кульков, 2002). Особое внимание А.Ф. Иоффе обращал на разработку способов изготовления различных полупроводниковых материалов (Иоффе, 1956), методик определения их основных параметров и фотоэлектрических свойств (Фогельсон, 2002). В развитии научных идей А.Ф. Иоффе в настоящее время достигнут значительный прогресс в разработке и создании эффективных полупроводниковых устройств, в частности светодиодов, излучающих в сине-зелёной и длинноволновой ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Что касается УФ-В диапазона (280-320 нм) и более коротковолнового, то в них эффективность излучения светодиодов остаётся ещё очень низкой, хотя потребность в таких излучателях чрезвычайно высока. Они необходимы для решения многих прикладных задач в различных областях науки и техники, и в частности, в агрофизических исследованиях. Нитриды металлов III группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева (далее — Ш-нитриды), включающие три двойных соединения семейства AIN, GaN, InN и их сплавы, представляют собой широкозонные полупроводники с прямыми оптическими переходами и стабильными физическими и химическими свойствами. В настоящее время они считаются одними из наиболее перспективных материалов для разработки новых типов оптоэлектронных устройств, работающих в широком диапазоне длин волн от видимой до дальней УФ областей спектра, а также мощных СВЧ приборов, способных функционировать в агрессивных средах и при высоких температурах. Ключевой проблемой при получении высококачественных пленок III-нитридов является отсутствие подходящих подложек, имеющих 5 соответствующие параметры кристаллической решетки и коэффициент теплового расширения. Так, традиционные подложки из сапфира и кремния, на которых выращивают слои Ш-нитридов, имеют, например, для GaN рассогласование 14% и 17% соответственно. Начальная стадия роста, на которой происходит «согласование» кристаллических решеток подложки и пленки, в этом случае оказывает решающее влияние на структурные, электрические и оптические свойства получаемых полупроводниковых слоев и гетероструктур. Другим важным аспектом при создании светоизлучающих приборов является получение высокого уровня легирования базовых областей. Однако легирование широкозонных полупроводников обычно представляет собой довольно непростую задачу. Один из путей преодоления этой трудности лежит в использовании короткопериодных сверхрешеток. Для использования в светодиодах, излучающих в дальней УФ области спектра, сверхрешётки должны содержать в барьерах чистый A1N и иметь период, равный всего нескольким монослоям. Рост, оптические и электрические свойства таких сверхрешеток и возможность их использования в светодиодах в настоящее время остаются практически не изученными. Повышение эффективности излучения требует использования в активной области светодиода квантово-размерных структур — квантовых ям и точек. Если свойства квантовых ям AlGaN уже довольно хорошо изучены, то в литературе совершенно отсутствует информация о получении и свойствах квантовых точек AlGaN. В настоящее время эпитаксиальные слои Ш-нитридов получают в основном методами газофазнаой эпитаксии из металлорганических соединений и молекулярно-пучковой эпитаксии. Несомненно, метод молекулярно-пучковой эпитаксии является одним из наиболее перспективных методов получения полупроводниковых структур с толщинами слоев, находящимися на атомном уровне. К достоинствам этого метода относятся возможность получения монокристаллов высокой чистоты (за счет проведения ростового процесса в сверхвысоком вакууме); возможность выращивания сверхтонких слоев с резкими изменениями состава на границах (за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии компонент, и практически мгновенного прерывания молекулярных потоков, поступающих на подложку); прецизионный контроль толщин слоев на атомарном уровне (за счет высокой скорости управления потоками и относительно малых скоростей роста); высокая однородность состава и уровня легирования вдоль поверхности структуры и др. Таким образом, разработка технологии получения эффективных УФ светодиодов на основе Ш-нитридов методом молекулярно-пучковой эпитаксии является весьма актуальной. Цель и задачи исследования Целью данной работы являлась разработка технологии получения светодиодов, излучающих в ультрафиолетовой области 250-340 нм на основе нитридов металлов третьей группы (Al, Ga) методом молекулярно-пучковой эпитаксии (осаждения кристаллических плёнок в сверхвысоком вакууме) при взаимодействии пучков атомов или молекул с аммиаком (NH3). Для этого были поставлены и решены следующие задачи: о исследован рост плёнок A1N, GaN, AlxGa^xN (х<1) и найдены условия для получения названных слоев высокого кристаллического качества; о исследовано легирование слоев AlxGa}.xN магнием и кремнием и определён диапазон изменения состава (х), при котором уровень п- и р-типа легирования достаточен для использования в ультрафиолетовых светодиодах; о определены физические параметры короткопериодных сверхрешеток AlN/AlxGai.xN и AlxGai.xN/GaN для достижения оптимального уровня легирования; о исследованы оптические свойства активной области получаемых слоев, найдены структура и параметры эпитаксиального роста, дающие наибольшую эффективность излучательной рекомбинации; 7 о на основе экспериментальных данных разработана структура ультрафиолетовых светодиодов с излучением в диапазоне 250-345 нм; о исследованы электрические и оптические характеристики полученных светодиодов. Научная новизна В результате проведения целого комплекса исследований с применением метода молекулярно-пучкового осаждения были разработаны технологические условия роста слоев нитридов алюминия и галлия с высокими электрическими и оптическими характеристиками, позволившие впервые получить светодиоды, излучающие в диапазоне длин волн 250-345 нм. В процессе выполнения работы были получены новые данные по легированию, электрическим и оптическим свойствам слоев AlxGai.xN и, созданных на их основе, короткоперйодных сверхрешёток, имеющих большое научное и прикладное значение. Выяснены условия для роста слоев, позволившие впервые получить квантовые точки AlGaN в матрице AIxGa|.xN, использование которых в активной области светодиода позволяет увеличить мощность излучения на два порядка. Практическая значимость Разработанная методика может быть использована в качестве основы промышленной технологии получения полупроводниковых приборов, излучающих в коротковолновой УФ области спектра, которые могут найти широкое применение в агр о почвоведческих и агрофизических исследованиях, например, при микроанализе состава биологических сред, почвы, растительных объектов (Лискер, 1987; Лискер, 1998; Лискер, 2002; Лискер, 2000; Мошков, 1966; Мошков, 1973), при изучении фотофизических процессов фотосинтеза (Архипов и др., 2002), для использования в облучательных установках регулируемых агроэкосистем (РАЭС) (Ермаков, 2002) и в модельных опытах по 8 влиянию разных доз радиации на продуктивность сельскохохяиственных культур (Канаш, 2001; Канаш, 2002; Канаш, 1992; Савин и др., 1985). Основные результаты работы, выдвигаемые на защиту: условия роста высокотемпературного буферного слоя A1N, позволяющие получать на кремниевых и сапфировых подложках эпитаксиальные слои III-нитридов с высоким кристаллическим совершенством; результаты экспериментального исследования влияния основных кинетических параметров (температуры и отношения потоков элементов III и V группы) на эпитаксиальный рост и десорбцию A1N и GaN; результаты исследования легирования магнием и кремнием, электрических и оптических свойств короткопериодных сверхрешёток AlN/Alo.o8Gao.92N; методика получения и результаты исследования оптических и электрических свойств светодиодов на основе короткопериодных сверхрешёток AIN/AlGaN и AlGaN/GaN с излучением в УФ области 250ч*345 нм; результаты исследования легирования и электрических свойств твердых растворов AlxGai.xN п- и р-типа различного состава (0<х<1); условия роста множественных квантовых ям, приводящие к формированию квантовых точек и увеличению интенсивности люминесценции на два порядка; перспективы использования полупроводниковых излучателей в УФ области спектра в агропочвоведении и агрофизике. Апробация работы Диссертационная работа выполнялась в рамках открытой тематики НИР Отделения нейтронных исследований Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова (ПИЯФ) Российской академии наук: «Изучение проблемы нарушения сверхрешёток (СР-нарушения); поиск электрического дипольного момента нейтрона (1985-1990 г.г., регистрационный номер 01.9.60.033.50), «Изучение упругого и неупругого 9 адрон-нуклонного рассеяния» (1985-1990 г.г., регистрационный номер 01.86.0122.456). Результаты работы прошли успешную апробацию на представительных научных форумах в России, Германии, Испании, США, Японии; IV Международная конференции: «Физика светоизлучающих устройств, созданных на основе нано-технологий (Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures)», 29 июня - 3 июля, Санкт-Петербург, 2004 г., «5 Международная конференция по полупроводникам на основе нитридов (5th International Conference on Nitride Semiconductors)», 25 - 30 мая, Hapa, Япония, 2003 г.; «Международное совещание по полупроводникам на основе нитридов (International Workshop on Nitride Semiconductors)», 22 - 25 июля, Аахен, Германия, 2002 г.; «4 Международная конференция по лазерам, излучающим в голубой области спектра, и светодиодам (4 International Symposium on Blue Lasers and Light Emitting Diodes)», 11-15 марта, Кордова, Испания, 2002 г.; 7 Симпозиум по нитртдам третьей группы (7 Wide Bandgap HI-Nitride Workshop)», 10 - 14 марта, Ричмонд, США, 2002 г.; 20 Северо-Американская конференция по молекулярно-пучковой эпитаксии (20th North American Conference on Molecular Beam Epitaxy)», 1 - 3 октября, Провайденс, США, 2001 г.; 4 Международная конференция но полупроводникам на основе нитридов (41 International Conference on Nitride Semiconductors)», 16-20 июля, Денвер, США, 2001 г. Публикации По теме диссертации опубликовано 10 работ (в соавторстве). Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов, и списка литературы, изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 67 рисунков. Список литературы включает 177 наименований, из них 141 зарубежных авторов. В обширной группе соединений AniBv нитриды индия, галлия и алюминия занимают особое место. Термическую устойчивость этих материалов можно оценить из приведенного в (Ambacher, 1998)) графика (рис. 1.2Л), на котором показаны равновесные давления диссоциации Ill-нитридов. На этом же рисунке приведены температуры плавления Vі. Равновесные давления азота над A1N, GaN и IriN в точках их плавления ( =3487 С, 7 v=2791 С и 7 =2146 С, соответственно) велики и эти соединения при давлении 1 атм должны диссоциировать при гораздо меньших температурах. Для получения из расплава, например, GaN необходима температура -2200 С и давление 60000 атм. Поэтому из-за технических трудностей методы прямого синтеза и выращивания из расплава объемных кристаллов и эпитаксиальных слоев, традиционно используемые для получения различных полупроводниковых материалов, не получили широкого распространения в технологии Ш-нитридов. В последние годы были предложены несколько альтернативных методов (Aoki et al., 2002; Kawamura et al., 2002; McCluskey et al., 1998) выращивания монокристаллов A1N и GaN, использующие более низкие температуры (700 — 1300 С) и давления (10 - 50 атм). Однако достигнутые размеры монокристаллов (всего несколько миллиметров в диаметре) и качество не позволяют говорить об их коммерческом применении. Можно выделить четыре получивших наиболее широкое распространение методов получения эпитаксиальных пленок Ш-нитридов: реактивное распыление; химическое осаждение из газовой фазы с использованием галогенсодержащих соединений; химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлорганических соединений; молекулярно-пучковая эпитаксия Кроме того, существует огромное разнообразие различных модификаций указанных методов и их комбинаций. Реактивное распыление может использоваться для роста материалов с высокими температурами плавления при низких температурах подложек, что очень важно при изготовлении полупроводниковых приборов. Для получения пленок Ill-нитридов реактивное распыление применяется в нескольких вариантах (Kistenmacher et al., 1993; Lakshmi et al., 1980; Maruyama, Morishita, 1994; Puychevrier, Menoret, 1976; Zembutsu, Kobayashi, 1985). В основе метода лежит образование соединения на подложке в результате взаимодействия материала распыляемой мишени с активными частицами азота, образующимися при ВЧ-разряде в азотсодержащей газовой среде. Процесс осуществляется в трехэлектр одной (ионно-плазменное распыление) или магнетронной системе при рабочем давлении в камере около 10-I-s-10"3 Па. Чистота получаемых пленок определяется степенью очистки материала мишени и используемых газов, а также уровнем предварительного вакуума в системе, который обычно поддерживается на уровне 10" ч-l0" Па. Чистота использованных компонентов обычно составляла 99.999%. Типичные значения температуры подложки лежат в интервале от комнатной до 450ч-550С (InN) и 750С (GaN и A1N). К достоинствам реактивного распыления можно отнести возможность осаждения нитридных пленок с довольно большой скоростью (до 5 мкм/ч) при относительно низких температурах, что представляет интерес при использовании термически неустойчивых материалов в качестве подложек, таких как GaAs, InP и Si. Оптимизация параметров проведения процесса (температуры подложки, общего давления и мощности разряда) позволяет добиваться состава пленок, близкого к стехиометрическому. Обычно пленки получаются поликристаллическими либо аморфными, что ограничивает их применение, особенно в области электронных приборов. Возможности осаждения нитридных растворов и контролируемого легирования пленок в процессе реактивного распыления систематически не исследованы. Химическое осаждение из газовой фазы с использованием галогенсодержащих соединений впервые предложено (Фёдоров и др., 1977; Shaw, 1975) для получения нитридов в качестве материалов для электроники на рубеже 60-х и 70-х гг. и в настоящее время широко используется благодаря, в первую очередь, высоким скоростям роста, доходящим до 240 мкм/ч (Hwang et al., 1994). Такие скорости роста позволяют получать очень толстые эпитаксиальные пленки (до нескольких сотен мкм), которые затем могут быть отделены от подложки (Kelly et al., 1997) и использоваться как квазиобъемные подложки для гомоэпитаксии. Основой данного метода являются химические реакции, гетерогенно протекающие на подложке между газообразными реагентами, непрерывно подаваемыми в зону роста в потоке газа-носителя. Физико-химические процессы, протекающие при химическом осаждении из газовой фазы и определяющие условия образования и свойства пленки, достаточно сложны и во многом зависят от выбора исходных реагентов. Структурная схема установки приведена на рис. 2.2.1. Функционально установку можно разделить на следующие основные компоненты: ? система вакуумной откачки; ? камера роста, включающая систему дифракции отражённых электронов и квадрупольный масс-спектрометр; камера перезарядки и шлюзовое устройство; " система подачи газов; ? яркостный пирометр; ? система прогрева; ? система управления и контроля; Система вакуумной откачки благодаря сочетанию различных типов вакуумных откачных средств позволяет обеспечить рабочий вакуум в камере роста Р(ф 5 10"8 Па, а также поддерживать сверхвысокий вакуум в камере перезарядки (Ркп 5-10"7 Па) и высокий вакуум в шлюзовом устройстве (Рщл Ы0-6Па). Узел откачки камеры роста состоит из включенных последовательно механического ротационного насоса и турбомолекулярного насоса фирмы BALZERS, который имеет высокую скорость откачки по водороду (2800 л/с), что очень важно при использовании аммиака в качестве элемента V группы. Оба насоса выполнены в коррозийно-стойком исполнении, заполнены химически стойкими маслами типа PFPE и имеют систему вентиляции газообразным осушенным азотом. Вакуум в камере перезарядки поддерживается с помощью магниторазрядного насоса. После вскрытия при необходимости, откачка осуществляется через шлюзовое устройство до уровня вакуума, позволяющего произвести пуск насоса. Шлюзовое устройство откачивается двумя насосами - механическим ротационным и турбомолекулярным со скоростью откачки 330 л/с. Перед напуском сухого азота для вскрытия, шлюзовое устройство с помощью шибера отсекается от насосов. После загрузки образцов и откачки механическим насосом через дополнительную линию до давления —1 Па, открывается шибер турбомолекулярного насоса. Откачка газовой линии также обеспечивается механическим ротационным и турбомолекулярным насосами со скоростью откачки 330 л/с, выполненными в коррозийно-стойком исполнении, заполненными химически стойкими маслами и имеющими систему вентиляции. Камера роста установки состоит из блока испарителей и собственно камеры, на которой смонтированы нагреватель образца, ростовой манипулятор, электронная пушка дифрактометра быстрых электронов и люминесцентный экран, анализатор квадрупольного масс-спектрометра, датчик высокого вакуума и смотровые окна, снабжённые заслонками. Вся внутренняя поверхность камеры и зона роста окружены двумя криопанелями, охлаждаемыми жидким азотом. В нижней части камера стыкуется с сублимационным и турбомолекулярным насосами. Блок испарителей смонтирован на отдельном фланце, расположенном под углом 75 к горизонтали. Этот фланец содержит 8 индивидуальных фланцев для установки источников молекулярных пучков, 8 фланцев для установки систем управления заслонок, входные и выходные патрубки двух внутренних криопанелей, пирометрическое окно с защитной заслонкой. Ось каждого из молекулярных источников составляет угол 12.5 с нормалью к поверхности подложки. Каждый молекулярный источник имеет заслонку, обеспечивающую резкое прерывание поступления потока молекул из испарителя на поверхность подложки, которые управляются шаговыми двигателями со временем срабатывания менее 0.5 с. В случае роста нитридов оказалось невозможным использование стандартных молекулярных источников для элементов III группы. Высокое давление аммиака во время роста приводит к увеличению смачивания стенок тигля металлами, сильному выползанию материала по стенкам наружу и, как следствие, к преждевременному выходу источника из строя. Для Ga и In устранение этого нежелательного явления достигается путем использования источника с двумя зонами нагрева, позволяющего поддерживать более высокую температуру в верхней части тигля относительно его дна. Именно такой двухзонный источник со стандартным коническим тиглем использовался нами для In. Ga обладает значительно более высокой ползучестью, чем In. Поэтому, в качестве галлиевого источника нами использовалась т.н. ячейка SUMO, также имеющая две зоны нагрева, но тигель выполнен в виде «кувшина» с узким горлом. Для А1, чтобы подавить выползание его наружу, наоборот, температура верха должна быть существенно ниже. С этой целью нами была разработана оригинальная конструкция источника А1, в котором за счет удлиненной формы тигля и изменений в форме экранов было достигнуто оптимальное соотношение температур верха и дна тигля, позволившее полностью устранить выползание металла. Одной из основных трудностей на пути создания светоизлучающих приборов в глубокой УФ области спектра (Л 300 нм) является невозможность получения AlGaN р-типа проводимости с достаточно высокой концентрацией дырок. Причина этого заключается в сильном заглублении акцепторного уровня Mg, используемого для р-легирования нитридов, с увеличением состава по А1. Применение короткопериодных сверхрешёток позволяет преодолеть эту трудность и получать высокую концентрацию дырок вплоть до эффективного состава по А1 х 0.7, что соответствует эффективной ширине запрещенной зоны эВ. Эффективная ширина запрещенной зоны сверхрешетки определяется рядом параметров - толщиной и составом ям (dw и xw) и барьеров (db и хь), В следующей главе эти параметры будут рассмотрены с точки зрения использования сверхрешёток для изготовления УФ светодиода. Все исследованные в данной работе образцы были выращены на сапфировых подложках. Начальная стадия роста и высокотемпературный буферный слой A1N выполнялись по описанной выше методике. Ширина ям менялась в пределах 2-3 монослоев, толщина барьеров 3-6 монослоев, а общее число периодов сверхрешетки оставалось постоянным и равнялось 400. Состав ямного материала AIxGai.xN был одинаковым для всех образцов (х=0.08) и определялся из роста объёмного материала при тех же условиях. Рефлексы на дифракционной картине имели вид длинных вытянутых линий, что свидетельствует о двумерном характере роста, а наблюдавшаяся реконструкция поверхности (2x2) позволяет предположить, что растущая поверхность имела полярность III группы. Параметры сверхрешетки определялись из спектров рентгеновской дифракции. Эффективный состав вычислялся из положения "О" пика используя закон Вегарда, а период — по положению "-Ы" и "-1" пиков рентгеновской дифракции. Хорошее совпадение величин периодов для нескольких тестовых сверхрешеток, полученных из этих спектров, с прямыми измерениями с использованием трансмиссионного электронного микроскопа подтверждает высокую точность данной методики для оценки параметров сверхрешетки. Характерное трансмиссионное изображение сечения сверхрешётки показано на рис. 3.3.1. Для иллюстрации, на рис. 3.3.2 также приведен рентгеновкий спектр образца с двумя сверхрешётками, имеющими одинаковое число периодов, но различную толщину барьера. Время роста барьера у образца с двумя сверхрешётками было увеличено по сравнению с одной на столько, чтобы получить толщину барьера на 2 монослоя больше ( 0.5 нм). Как видно из рисунка, "+1" и "-Г1 пики рентгеновской дифракции хорошо разделяются, что еще раз подтверждает высокую точность определения периода сверхрешетки. Рассчитанные периоды имеют величины 2.01±0.025 нм и 2.29+0.025 нм для образцов с одной и и двумя сверхрешётками соответственно. Действительно, разница в 0.58 нм составляет 2 монослоя. "0" пики от обеих сверхрешеток в спектре находятся очень близко и не разрешены. Для их разделения использовалось программное обеспечение ORIGIN. Результат разделения показан на вставке к рис. 3.3.2. Вычисленные из рентгеновской дифракции эффективные составы первого и второго образцов составляют 68% и 72% по A1N, что хорошо совпадает с оценками из периодов и составов в барьере и яме. Следует отметить, что линии в спектрах рентгеновской дифракции для сверхрешеток заметно уширены по сравнению с объемным материалом такого же состава. Это обусловлено флуктуациями периода сверхрешетки. Большое переходное время срабатывания заслонок ( 0.5 с) и вращение образца приводит к образованию областей, которых ширина барьера или ямы может отличаться на 1 монослой от средней по площади. Одно из таких мест показано стрелкой на трансмиссионном изображении (рис. 3.3.1). Пространственные размеры таких областей в наших условиях эксперимента могут достигать нескольких миллиметров. Моделирование формы дифракционного пика с помощью программного обеспечения показало, что наблюдаемое в эксперименте уширение дифракционных пиков может быть получено введением флуктуации периода сверхрешетки. Эффективная ширина запрещенной зоны (Eg) сверхрешётки определялась из измерений катодолюминесценции и оптического отражения. На рис. 3.3.3 показаны характерные спектры люминесценции и отражения, измеренные при комнатной температуре. На спектре отражения наблюдаются характерные осцилляции интенсивности, обусловленные интерференционными явлениями Фабри-Перро. Как только энергия квантов сравнивается с Eg, сильно возрастает поглощение в пленке, и осцилляции интенсивности полностью исчезают. Для повышения точности определения Eg обычно строилась производная спектра отражения, как показано на вставке рис. З.З.Зб. В этом случае ошибка не превышала ±50 мэВ. Для получения излучения в УФ области 250-340 нм конструкция светодиода должна включать слои AIGaN с содержанием А1 х 0.4. Для таких составов одна из трудностей связана с получением материал р-типа высокой проводимости. Другая трудность связана с низкой эффективностью излучательной рекомбинации в активной области светодиода, что не позволяет получить высокую мощность излучения. В этом разделе будут рассмотрены несколько возможных структур светодиода на основе короткопериодных сверхрешеток. Все они были вначале получены путем компьютерного моделирования. Выращенные затем экспериментальные светодиодные структуры подтвердили в основном правильность заложенных идей. Высокий уровень легирования сверхрешеток п- и р-типа и хорошее качество p-n-перехода составляют основу для получения светодиода. Однако, для того, чтобы обеспечить высокую интенсивность электролюминесценции, необходимо создать условия для высокой излучательной рекомбинации носителей. С этой целью между п- и р-слоями вводится еще один слой (активная область) с повышенной излучательной рекомбинацией инжектированных электронов и дырок. В легированном материале краевая излучательная люминесценция сильно подавлена из-за высокой дефектности материала. Такое поведение люминесценции обсуждалось ранее для случая легированного кремнием AlGaN (рис. 4.1.2). В качестве активной области в данной работе использовались несколько периодов нелегированной сверхрешетки. В первом случае толщины ям и барьеров в этой сверхрешетке совпадали с размерами вп-и р-областях. Во втором случае в активной области яма была на один монослой (-0.25 нм) толще, что дает дополнительное ограничение носителей в активной области и обеспечивает более высокую эффективность рекомбинации. Модельные расчеты, выполненные с использованием программы SLED, показаны на рис, 4.2.6 и 4.2.7. Для р-п перехода без активной области поведение эффективных энергий дна зоны проводимости Ef и потолка валентной зоны Ef такое же, как и в случае гомоперехода с шириной запрещенной зоны, равной эффективной ширине запрещенной зоны сверхрешетки Ef - Ef - Ef (рис. 4.2.6а). Ток рекомбинации Jr максимален в области перехода и медленно спадает при удалении от него из-за большой диффузионной длины носителей тока. Спектр электролюминесценции для светодиода на «гомопереходе» показан на рис 4.2.66. Из расчетов следует, что увеличение толщины ямы на один монослой приводит к уменьшению Ef сверхрешетки на величину -350 эВ, что находится в хорошем согласии с экспериментальными данными, приведенными на рис. 3.3,3 Введение узкозонной активной области, зажатой между широкозонными слоями, образует так называемую двойную гетероструктуру (Алфёров, Казаринов, 1963). Зонная диаграмма такого светодиода показана на рис. 4.2.7а. Как видно из рисунка, почти все инжектированные носители рекомбинируют в узкозонной активной области. Ток рекомбинации быстро уменьшается сразу за ее пределами. Интенсивность электролюминесценции в структуре с узкозонной активной областью (рис. 4.2.76) более чем на три порядка превосходит интенсивность электролюминесценции без таковой. Светодиод с нелегированной активной областью, имеющей одинаковую с п- и р-областями ширину ям и барьеров, по интенсивности излучения занимает промежуточное место между гомопереходом и двойной гетероструктурой. Основной выигрыш в интенсивности достигается благодаря уменьшению безизлучательной рекомбинации на дефектах по сравнению с сильно легированными базовыми слоями диода. Однако отсутствие ограничения позволяет значительной доле инжектированных носителей тока покидать активную область и рекомбинировать безизлучательно в сильно легированных слоях р-n перехода. С целью проверки результатов компьютерного моделирования на основе полученных данных по легированию был выращена серия светодиодных структур с длиной волны излучения в интервале 250 - 290 нм на основе сверхрешетки AIN/Alo.o8Gao.92N. Светодиоды растились как на сапфировых, так и на кремниевых подложках по описанной выше методике. С помощью ионно-плазменного травления изготавливалась меза-структура диаметром 160 мкм. Конструкция светодиода схематически изображена на рис. 4.2.8. На этом же рисунке показано увеличенное изображение р-n перехода, полученном с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Хорошо видно возрастание периода сверхрешетки в активной области. Поскольку в использованной нами конструкции верхний р-контакт не прозрачный, то регистрировалось излучение электролюминесценции, выходящее через боковую поверхность меза-структуры. Для снижения плотности дислокации между A1N буфером и п- сверхрешеткой вставлен толстый (—1 мкм) слой Alo.7Gao.3N. Оцененная из измерений рентгеновской дифракции плотность дислокаций в области p-n-перехода в наших образцах не превышала 6 109 см"2.Способы получения эпитаксиальных плёнок нитридов металлов третьей группы
Конструктивные и функциональные особенности установки RIBER 32Р.
Кристаллические и оптические свойства коротко-периодных сверхрешёток AIN/AlGaN
Оптические и электрические свойства светодиодов, излучающих в дальней УФ области
Похожие диссертации на Полупроводниковые излучатели для ультрафиолетовой области спектра на основе нитридов металлов третьей группы
