Введение к работе
Актуальность темы. Создание ярких малогабаритных источни-сов света необходимо для изготовления индикаторов, светофоров, автомобильных фар, а также цветных плоских экранов и других средств отображения информации. Если для изготовления ярких источников срасного и желтого свечения используются твердые растворы Ga х АЬ. : As; для желто-зеленого и зеленого - GaP и твердые растворы AHnGaP с максимальной квантовой эффективностью от 0,1 до 1%, то для синих лзетодиодов выбор материалов сильно ограничен -это ZnSe и SiC, при-іем яркость излучение этих светодиодов довольно мала. Однако для из--отовления качественного цветного дисплея или экрана необходимы си-ше и зеленые источники излучения, сравнимые по яркости с красными.
Одним из материалов, на основе которого можно решить эту за-іачу является нитрид галлия. Он обладает высокой термической, хими-іеской и радиационной стойкостью, имеет прямозонную энергетическую лруктуру и ширину запрещенной зоны Е„ =3,4 эВ при комнатной тем-гературе. В последние годы интерес к нитриду галлия чрезвычайно возрос в связи с тем, удалось изготовить p-n-перехода на GaN и это служит определенной гарантией его успешного применения в оптоэлектронике и зысокотемпературной электронике.
Легирование нитрида галлия электрически активными примесями юзволяет создавать в нем издучательные центры синего, желтого и крас--іого свечения, что подтверждено на лабораторных образцах электролю-чинесцентных диодов, спектры излучения которых представляют собой толосы, расположенные в диапазоне длин волн от 350 до 600 нм.
Нитрид галлия может быть также использован для изготовления тазерных диодов ультрафиолетового диапазона, причем при электронном и оптическом возбуждениях стимулированное излучение наблюдаюсь в широком диапазоне температур: от гелиевых до комнатной.
Лабораторные опыты показали его перспективность не только в эптоэлектронике, но и в силовой полупроводниковой электронике, так <ак напряженность поля электрического пробоя в нитриде галлия составляет (5+6) 108 В/м, в то, время , как для Si эта величина на порядок vieubme. GaN можно использовать в качестве эмиттера для биполярных гранзисторов на SiC. Гетероструктуры на GaN-AlGaN пригодны для изготовления фотодетекторов и высокочастотных полевых транзисторов Ідо 100 ГГц). Расчеты показали, что максимальная дрейфовая скорость электронов в сильных электрических полях в GaN составляет 2.7 105 м/с
и более, чём вдвое превышает максимальную дрейфовую скорость в Si, GaAs и SiC.
Однако еще не все перспективные возможности нитрида галлия нашли реализацию в промышленности. Это в значительной степени объясняется тем, что:
отсутствует технология изготовления монокристаллов нитрида галлия достаточно больших размеров,
существующие методы получения гетероэпитаксиальных слоев неле- тированного GaN не позволяли получать однородные слои достаточно большой площади и высокого кристаллографического качества с концентрацией равновесных электронов меньшей , чем 10п см _3 и контролируемыми электрофизическими параметрами,
получение р-типа проводимости и создание />-л-перехода до сих пор вызывает большие трудности.
Указанные затруднения объясняются:
недостаточно полным пониманием влияния условий гетероэпи-таксии GaN на формирование центров как излучательной, так и безиз-лучательной рекомбинации,
не ясными до конца механизмами излучательной рекомбинации как в нелегированном, так и в легированном нитриде галлия, что приводит к неоднозначной интерпретации спектров люминесценции,
отсутствием достоверной информации о природе собственных точечных дефектов, неконтролируемых примесей и возможно их комплексов в нелегированном и легированном GaN.
Целью настоящей работы является: исследование люминесценции и структурных свойств нитрида галлия в зависимости от условий его осаждения на лейкосапфир различной кристаллографической ориентации.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
исследовать влияние технологических условий осаждения (температуры и ориентации подложки) на структурное совершенство, морфологию поверхности и параметры кристаллической решетки гетероэпитаксиальных слоев нитрида.галлия;
уточнить ширину запрещенной зоны GaN и ее температурную зависимость,
определить и уточнить механизмы изпучательной
рекомбинации, которые наблюдаются в слоях GaN при различных усло
виях возбуждения катодолюминесценции (КЛ).
Решение поставленных задач достигалось с помощью следующих экспериментальных методик и теоретических расчетов:
микроморфология поверхности слоев нитрида галлия исследова-пась на растровом электронном микроскопе, работающем в режимах вторичной электронной эмиссии и КЛ;
параметры решетки определялись на дифрактометре ДРОН-1;
для исследования КЛ кристаллы GaN возбуждались с помощью электронной пушки при ускоряющем напряжении 7-^-50 кВ, работающей в импульсном режиме с частотой повторения импульсов 200 Гц , длительность импульсов - 0,4 мкс, плотность тока в импульсе могла меняться от 0,05 до 15 А/см2, КЛ исследовалась в диапазоне температур от 6 до 300 К;
выбраны параметры гауссовской функции генерации для GaN и сделаны расчеты распределения концентрации неосновных носителей заряда с учетом диффузии и поверхностной рекомбинации,
оценена степень нагрева*области возбуждения КЛ.
В результате проделанной работы получены следующие новые результаты:
показано, что структурное совершенство гетероэпитаксиальных слоев GaN , осажденных на поверхность лейкосапфира с ориентацией (0001) выше, чем на (1012),
уточнены механизмы излучательной рекомбинации отдельных полос спектров КЛ нелегированных гетероэпитаксиальных слоев GaN, осажденных на (0001)- а АЬ Оз при невысоких уровнях возбуждения,
установлены механизмы излучательной рекомбинации в слоях нелегированного нитрида галлия, осажденных на (1012)-а А1 ;0з,
предложена новая интерпретация природы краевого излучения нелегированных слоев GaN, осажденных на (0001)- а АЬОз при высоких уровнях возбуждения,
установлена корреляция между спектрами КЛ GaN, легированного цинком и топографией поверхности,
показано, что облучение образцов нитрида галлия электронами с энергией 1 МэВ оказывает влияние на спектры КЛ и морфологию поверхности,
обнаружено явление активации КЛ в слоях GaN : Zn, осажденных на (0001)-a Ah Оз , в результате воздействия электронным пучком с энергией 20 кэВ и плотностью тока 100 А/см : , обладающее эффектом памяти.
Практическая ценность работы .заключается в том, что методика исследования спектров КЛ позволяет получить выводы, которые могут быть использованы технологами и разработчиками оптоэлектрон-ных приборов при получении нитрида галлия с контролируемыми электрическими параметрами и заданным спектром излучения. Явление возрастания интенсивности КЛ после облучения мощным электронным пучком может быть использовано для активации различных акцепторных центров, а наличие эффекта памяти позволяет создать носитель памяти с произвольным доступом в системах для записи и воспроизведения информации с высокой плотностью записи и длительным хранением.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Структурное совершенство гетероэпитаксиальных слоев GaN, полученных гидридно-хлоридным методом, зависит от ориентации сапфировой подложки.
Показана сложная структура полос КЛ с максимумами 3,3 и 3,39 эВ нелегированных гетероэпитаксиальных слоев GaN, осажденных на (0001)-а АЬОз при невысоких уровнях возбуждения ; подтверждена экси-тонная природа максимумов 3,472 и 3.456 эВ.
Спектр излучения в слоях нелегированного нитрида галлия,
осажденных на (1012)-а АЬОз обусловлен участием хвостов энергетиче
ских зон.
Краевая линия спектра излучения нелегированных слоев GaN, осажденных на (0001)- a Ah Оз при высоких уровнях возбуждения обусловлена ИР электронно-дырочной плазмы.
Облучение образцов нитрида галлия электронами с энергией 1 МэВ не влияет на механизмы ИР, но оказывает влияние на интенсивность максимумов спектров КЛ и морфологию поверхности,
обнаружено явление активации КЛ в слоях GaN : Zn, осажденных на (0001)- а А1? Оз , в результате воздействия электронным пучком с энергией 20 кэВ и плотностью тока 100 А/см 2, обладающее эффектом памяти.
Апробация работы: Материалы диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзном Совещании по широкозонным полупроводникам (Ленинград, 1979); XII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1982); на семинаре «Современные методы электронной микроскопии и их применение» (Таллин, 1983); III Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Одесса, 1982), на 2 Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, февраль 1996), на семинарах кафедры «Микропроцессорные системы, электроника и электротехника» РГТУ им. К.Э.Циолковского-МАТИ.
Получено авторское свидетельство N 1053659 от 8 июля 1983 г. на изобретение «Носитель памяти для записи информации электронным лучом».
Материалы диссертации опубликованы в 16 научных публикациях , из которых 8 статей в журналах, 7 докладов на конференциях, семинарах и совещаниях, 1 авторское свидетельство.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, включающих 48 рисунков, 13 таблиц, а также библиографического списка из 209 наименований и содержит 154 страницы.