Введение к работе
Актуальность темы..К началу семидесятых годов на основе соединений А3В5 и их твердых растворов были созданы и выпускались промышленностью светодиоды и лазеры, излучающие в диапазоне длин волн от инфракрасного до зеленого света. Эффективные излучатели более коротковолнового диапазона практически отсутствовали. Интерес к освоению этого диапазона длин волн обусловлен, прежде всего, потребностями техники. Кроме увеличения числа цветов индикаторов светодиоды и лазеры сине-фиолетового диапазона необходимы для увеличения плотности записи информации в оптоэлектронных элементах памяти, а также для создания полноцветных плоских экранов, что увеличит информационную емкость индикаторных систем. Для астронавигации, например, требуется стабильный имитатор излучения звезд, имеющий спектр близкий к излучению звезд, а применение индикаторов сине-голубого цвета в условиях пониженной освещенности по физиологическим соображениям является наиболее целесообразным.
Перечисленные проблемы и многие другие могут быть решены при создании светодиодов и лазеров излучающих в коротковолновой части видимого спектра. Для этого необходимо использовать полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, большей, чем у GaP. При этом желательно, чтобы их энергетический спектр характеризовался прямыми переходами.
Этим требованиям удовлетворяет нитрид галлия (GaN) - прямоэон-ный полупроводник, с шириной запрещенной зоны 3,45 эВ. Исследование нитрида галлия как перспективного материала оптоэлектроники началось с 1969 г. после получения его эпитаксиальных слоев. Однако, несмотря на значительные усилия, в течении более двадцати лет не удавалось получить низкоомный p-GaN, изготовить р-п переходы и создать эффективные светодиоды. В связи с этим многие работы по исследованию GaN в восьмидесятых годах были свернуты. Но в начале девяностых годов сообщения о создании р-n переходов и светодиодов на GaN вызвали новую волну интереса к GaN. В ряде стран (Япония,-Германия, США и др.) были приняты программы по исследованию GaN и разработке на его основе приборов оптоэлектроники и высокотемпературной электроники. Высокая радиационная, химическая и механическая стойкость GaN предопределяет возможность создания на его основе полупроводниковых приборов, способных работать в экстремальных условиях. Все сказанное свидетельствует об актуальности исследований
люминесцентных и электрических свойств слоев GaN, легированного различными примесями, с целью выяснения возможности их использования для разработки оптоэлектронных и других приборов.
Одной из наиболее интересных примесей в GaN является цинк, который выполняет одновременно и роль компенсирующей примеси, и ролі эффективного иэлучательного центра. Цинк в GaN ведет себя сложны* образом, образуя серию уровней в запрещенной зоне. Не смотря на то, что цинк является одной из наиболее исследованных примесей в GaN,flc сих пор отсутствует ясность в понимании природы его энергетические уровней, также как и механизмов генерации излучения и протекания тока в светодиодах из GaN(Zn). Все это стимулирует дальнейшее исследование GaN(Zn).
В процессе изучения свойств светоизлучающих структур из GaN(Zn) мы обнаружили интенсивную полосу электролюминесценции (ЭЛ) с линейной поляризацией излучения до 60 и максимумом интенсивности при hVmax = 2.55эВ. Данная полоса наблюдалась лишь в слоях GaN, легированных Zn в присутствии кислорода. Ранее такая высокая степень поляризации излучения у светодиодов из GaN(Zn) не наблюдалась, поэтому исследование этого явления представляло как научный, так и практический интерес. Поляризация и высокая эффективность обнаруженной ЭЛ позволяли надеяться на создание голубых источников излучения с новыми функциональными возможностями.
Цель работы состояла в комплексном исследовании электрических и люминесцентных свойств структур из GaN(Zn,0) с голубым поляризованным излучением, в установлении связи наблюдаемых свойств с технологическими условиями выращивания этих структур и в создании новых оптоэлектронных устройств на их основе.
Научная новизна:
-
Впервые исследованы микроструктура областей свечения в M-i-n - GaN(Zn,0) - структурах (металл - полуизолирующий GaN(Zn,0)-низкоомный n-GaN) и поляризационные характеристики люминесценции GaN(Zn,0) в области примесного и собственного возбуждения.
-
Установлены основные количественные соотношения влияния условий выращивания и легирования GaN(Zn.O) на электрические и люминесцентные свойства структур с поляризованным излучением.
-
Расшифрована оптическая микроструктура центров излучения и установлено, что за поляризованную люминесценцию в GaN(Zn,0) отвечают внутрицентровые электронные переходы в центрах молекулярного
типа, содержащих Zn и О.
4. Показано, что высокая эффективность и надежность M-i-n - GaN(Zn,0)- структур с поляризованной электролюминесценцией обеспечиваются двухслойной конструкцией активной і-области структуры: внутрицентровая люминесценция возбуждается в примыкающем к n-области GaN(Zn,0) - слое с помощью носителей заряда, ускоренных сильным электрическим полем верхнего GaN(Zn)- слоя. При этом увеличение эффективности достигается за счет локализации и возбуждения, и излучения на одних и тех же центрах, а также за счет высокого внутреннего квантового выхода внутрицентрового механизма люминесценции. Высокая надежность таких излучателей обеспечивается тем, что центры люминесценции в процессе возбуждения остаются нейтральными и не подвергаются действию сильного электрического ПОЛЯ.
Практическая ценность работы: На основе M-i-n - GaN(Zn,0)-структур создан ряд оптоэлектронных устройств, обладающих новыми функциональными возможностями, а именно: источник голубого линейно-поляризованного света; источник белого света; источник с плавно изменяющимся цветом излучения от голубого до красного; источник с переключением цвета излучения с голубого на оранжевый и памятью; фотоприемник с памятью, переключением и цветовой индикацией; фото-реэистивный оптрон.
Разработана методика послеэпитаксиальной обработки структур из GaN(Zn,o), повышающая эффективность их электролюминесценции.
Результаты и научные положения, выносимые на защиту:
-
Технологические условия выращивания и легирования H-1-n структур из GaN с поляризованной электролюминесценцией (а.с.699967) и способ повышения эффективности их ЭЛ (а.с.689472).
-
Экспериментальные результаты по исследованию микроструктуры областей свечения M-i-n структур из GaN(Zn,0). ЭЛ этих структур генерируется в микроплаэмах трех типов с размерами не более 5 мкм: с неполяризованныи излучением и линейно поляризованными излучениями с азимутом поляризации перпендикулярным или параллельным гексагональной оси GaN.
-
Изолирующая область M-i-n структур асимметрична и состоит из двух слоев: первый, примыкающий к n-слою, легирован цинком и кислородом, а второй, верхний слой, легирован только цинком. Асимметрия строения і-области является причиной однополярности возбуждения поляризованной ЭЛ, высокой эффективности и надежности иэлуча-
ющих М-i-n структур.
-
Экспериментальные результаты по исследованию поляризационных характеристик фотолюминесценции GaN(Zn,0) при собственном и примесном возбуждении анизотропных центров.
-
Поляризованная люминесценция в GaN(Zn,0) связана с внутри-центровыми электронными переходами в анизотропных центрах, жестко ориентированных в решетке GaN. Оптические диполи анизотропных центров ориентированы перпендикулярно гексагональной оси GaN, а линейные осцилляторы (Я-диполи) дают основной вклад в матричные элементы переходов как при поглощении (=86). так и при излучении (=89).
-
Модель электронных переходов, описывающая процессы возбуждения и ионизации анизотропных центров светом, электрическим полем и температурой.
-
Создание некогерентных источников света: голубого с линейно поляризованным излучением (а.с. 699967), двухцветного (голубой с линейной поляризацией и оранжевый) с переключением цветов и памятью (а.с. 988166).
Апробация результатов. Материалы диссертационной работы докладывались на: - II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент,1980); - Всесоюзном совещании по люминесценции, посвященном памяти С.И.Вавилова (Ленинград, 1981); - VII Всесоюзном совещании по электролюминесценции (Тарту, 1981); - III всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1986); - II Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев, 1986);
Семинаре "Примеси, дефекты и деградационные явления в полупроводниковых материалах и приборах" (СПб ГТУ, ФТИ им. А.И.Иоффе РАН СПетербург, 1987); - Расширенном заседании секции электролюминесценции научного совета по люминесценции АН СССР (Вильнюс, 1989);
X Всесоюзной конференции по электролюминесценции (Ангарск, 1991); -Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (СПетербург, 1995); -Международной конференции по надежности полупроводниковых приборов и систем (Кишинев, 1996); -23-ем международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (СПетербург, 1996), -Международном симпозиуме (Сан Францис-ко, 1997).
Основное содержание диссертации опубликовано в тридцати четырех работах и защищено тремя авторскими свидетельствами.
Структура и объем, диссертационная работа состоит иэ введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 102 страницах текста, содержит 44 рисунка и 1 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 122 наименования.
Похожие диссертации на Исследование поляризованной люминесценции в нитриде галлия
