Введение к работе
Актуальность темы. Одним из самых ярких явлений в полупроводниковой
оптоэлектронике в 90-х годах стал стремительный прогресс технологии
светоизлучающих приборов для фиолетовой, синей и зеленой областей спектра на
основе нитридов Ш группы - InN, GaN, A!N. Большая ширина запрещенной зоны
(-3.4 эВ при ЗООК) и прямая зонная структура, высокая химическая, температурная и
радиационная стабильность GaN многие годы привлекали пристальное внимание
исследователей, однако попытки создания эффективных оптоэлектронных приборов на
его основе оставались безуспешными. Главной причиной неудач являлось отсутствие
подложек, совпадающих с GaN по параметру решетки и коэффициенту термического
расширения.
В конце 80-х - начале 90-х годов исследовательскими группами И.Акасаки (I.Akasaki) из
университета г. Нагоя (Япония) и С.Накамуры (S.Nakaraura) из фирмы Nichia Chemical
Industries, Ltd (Япония) был освоен эпитаксиальный рост GaN и его твердых растворов
InGaN и AlGaN на сапфировых подложках методом газофазной эпитаксин из
металлоорганических соединений (МОГФЭ) и впервые получен GaN р-типа
проводимости. В обеих группах использовался метод эпитаксин GaN при температуре
более 1000 С с предварительным осаждением низкотемпературного буферного слоя. В
настоящее время этот метод в технологии GaN является общепринятым. Кульминацией
работ было создание лазерного диода на основе гетероструктуры InGaN/GaN/AlGaN со
сроком службы более 3000 часов (экстраполированный срок службы более 10000 часов).
В течение 1995-97 годов в ряде научных коллективов стран Европы, США и Японии был
проведен большой объем научных исследований, посвященных GaN и твердым
растворам InGaN и AIGaN. Однако, опубликованные данные об оптимальных режимах
эпитаксиального выращивания и легирования GaN, структурных свойствах
эпитаксиальных слоев и механизмах излучательной рекомбинации носят неоднозначный
и противоречивый характер.
Ключевой задачей при разработке технологии электронных или оптоэлектронных
приборов на основе GaN является получение эпитаксиальных слоев высокого качества.
При выращивании эпитаксиальных слоев GaN на сапфировых подложках эта задача
может быть решена путем использования тонких низкотемпературных буферных слоев GaN или A1N. При этом необходима согласованная оптимизация режимов низкотемпературного осаждения буферного слоя и режимов высокотемпературного роста основного слоя GaN. Исследование свойств низкотемпературных буферных слоев в зависимости от параметров процесса осаждения само по себе не вызывает значительных трудностей. Однако, необходимые свойства буферного слоя заранее неизвестны, его "оптимальность" может определяться только опосредованно, через свойства выращенного на нем эпитаксиального слоя. С другой стороны, оптимизация режимов эпитаксиального роста возможна только при наличии "подходящего" буферного слоя; на неоптимальном буферном слое эпитаксиальный слой GaN имеет низкое качество при любом режиме эпитаксиального роста. Таким образом, процедура определения оптимальных параметров выращивания эпитаксиальных слоев GaN имеет сложный, комплексный характер.
Создание эффективных светоизлучающих полупроводниковых приборов невозможно без разработки процедуры легирования эпитаксиальных слоев для получения п- и р- типа проводимости. Формирование эпитаксиальных слоев GaN п- типа проводимости не вызывает существенных трудностей. В то же время, получение эпитаксиальных слоев р-типа проводимости оказывается значительно более трудной задачей. Единственной успешно применяемой в МО ГФЭ GaN для получения р- типа проводимости акцепторной примесью является магний. Энергия ионизации акцепторного уровня магния составляет 150-180 мэВ, и получение необходимой для низкоомного материала р-типа концентрации дырок в валентной зоне возможно только при использовании высокого уровня легирования. Донорная природа большинства собственных дефектов и фоновых примесей в GaN приводит к значительной компенсации введенной акцепторной примеси. К началу выполнения настоящей работы условия формирования эпитаксиальных слоев р- типа проводимости не были однозначно установлены. В технологии GaN твердые растворы AlGaN находят широкое применение, в частности, для обеспечения электрического и оптического ограничения в приборных структурах. Однако, электрические и оптические свойства AlGaN, как и особенности выращивания и легирования эпитаксиальных слоев этих твердых растворов, в литературе освещены недостаточно подробно.
Основной целью проведенной работы являлась разработка и оптимизация методики выращивания эпитаксиальных слоев и многослойных гетероструктур с р-п-переходами в системе GaN/AIGaN методом МО ГФЭ и исследование свойств полученных структур. Научная новизна работы
-
Обнаружено наличие инкубационного периода при низкотемпературном осаждении буферных слоев GaN и GaAIN в интервале температур 490-520 С.
-
Обнаружено, что небольшая добавка AI в низкотемпературный буферный слой GaN позволяет значительно повысить качество эпитаксиального слоя GaN.
-
Предложена и применена методика каталитического разложения аммиака при низкотемпературном осаждении буферного слоя. Применение этой методики привело к дальнейшему повышению качества эпитаксиальных слоев GaN. В частности, подавлены дефектные полосы в спектре фотолюминесценции нелегированных слоев GaN.
-
Обнаружена неоднородность свойств эпитаксиальных слоев GaN по толщине. В частности, выявлено наличие проводящего канала вблизи интерфейса GaN/сапфир.
-
При росте толстых эпитаксиальных слоев твердых растворов AlGaN обнаружен неоднородный характер вхождения А1 и формирование квазипериодических флуктуации состава твердого раствора AlGaN.
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований в России создана технологическая и экспериментальная база, которая может служить основой для дальнейшей разработки совершенных приборов полупроводниковой электроники и оптоэлектроники на основе нитридов Ш группы. На основе р-n-переходов в эпитаксиальных слоях и многослойных гетероструктурах созданы светоизлучающие диоды с длиной волны в максимуме интенсивности излучения в диапазоне 460-362 нм. Научные положения, выносимые на защиту.
-
В эпитаксиальных слоях GaN существенное уменьшение плотности поверхностных дефектов, снижение фоновой концентрации (Nd-N,) и уменьшение полуширины пика краевой фотолюминесценции может быть достигнуто в результате введения триметилалюминіи в атмосферу реактора при осаждении буферного слоя GaN (использование буферного слоя GaAIN)
-
Использование каталитического разложения аммиака при низкотемпературном осаждении буферного слоя GaN (как с добавкой А1, так и без нее) повышает
однородность эпитаксиальных слоев GaN и значительно снижает интенсивность дефектных полос в спектрах фотолюминесценции.
-
Получение эпитаксиальных слоев GaN п- и р- типа проводимости возможно при введении в атмосферу реактора моносилана (SiHn) и бисциклопентадиенила магния (Mg(C5Hs)2), соответственно. Для получения р-типа проводимости с концентрацией (Na-N
-
Выращивание эпитаксиальных слоев твердых растворов AlxGai.xN с мольной долей A1N в интервале 0+0.1 возможно при введении в атмосферу реактора триметилалгомивия в количестве 0+8 мкмоль/мин при потоке триметилгаллия 36 мкмоль/мин. Параметры процесса эпитаксиального роста по сравнению с эпитаксиальным выращиванием GaN не изменяются.
-
На основе р-п - переходов в эпитаксиальных слоях GaN и многослойных гетероструктурах GaN/AlGaN возможно создание светодиодов с максимумом интенсивности излучения в диапазоне 460-362 нм и эффективностью до 0.5%. Апробация результатов. Материалы диссертационной работы докладывались на:
- 3-ем Международном симпозиуме по алмазным пленкам "ISDF3" (С-Перебург, 1996);
-23-ем Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям "ISCS-23"
(С-Перербург, 1996);
- 7-ом Европейском совещании по МО ГФЭ " EW MOVPE VII" (Берлин 1997);.
-Объединенном Международном съезде Электрохимического общества и
Международного общества электрохимии (Париж, 1997); -Международной конференции по карбиду кремния, нитридам Ш группы и
родственным материалам "ICSC HI-N'97" (Стокгольм, 1997); -Ш Всероссийской конференции по физике полупроводников "Полупроводники'97"
(Москва, 1997);
1-ой Городской студенческой конференции по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, С-Петербург, ноябрь 1997
Международном симпозиуме "E-MRS'98" (Страсбург, Франция, 1998)
3-ем Европейском совещании по GaN "EGW-3" (Варшава, 1998)
Основное содержание диссертации опубликовано в двадцати одной печатной работе. Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения н списка цитируемой литературы. Материал изложен на 152 страницах, включая 81 страницу текста, 61 рисунок и 6 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 79 наименований.
