Люминесцентные свойства эпитаксиальных слоев нитрида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

РГо ОД

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Ч ) к И" 'nnq

I <- Hill iJ^iJ

На правах рукописи УДК 537.312

Пэрловский Геннадий Александрович

Лшинесцентные свойства эпитаксиальных слоев нитрида галлия (специальность 01.04.04 - ({изическая электроника)

/

/

АВТОРЕФЕРАТ 4 диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук .

; \

Москва 1993 г.

<

Работа наполнена иа кафедре физической электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

Г.В. Сапарин

Официальные оппоненты - доктор физико-ыатематическзх наук

Ы.Н. йшшпов; ^ - кандидат физико-математических наук М.В. Чукичев

Ведущая организация - Научно - исследовательский центр

свойств поверхности и вакуума Госстандарта России, г. Москва.

Защита диссертации состоится "А1_п -Iй93 г-

в 4^ ^° часов в аудитории ■ ^ "IА на заседании Специализированного Ученого Совета № (шифр К.053.05.22) отделения радиофизики физического факультета.МГУ в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета (.(ГУ.

Автореферат разослан " 6 " СЫХ^СсЫ 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Ученого Совета к.ф.- м.н. / С.Ю. Галузо

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Начиная с момента первого получения монокристаллической эпитаксиальной пленки нитрида галлия в 1969 году интерес к нему как к перспективному материалу оптоэлектроники поддерживается на высоком уровне. Этот интерес обусловлен тем обстоятельством, что" проблема получения стабильных, эффективных источников излучения в синем и ближнем ультрафиолетовом диапазонах спектра до сих пор не получила окончательного решения. Благодаря своим сойствам, а именно: большой ширине запрещенной зоны (3,5 эВ), высокой прочности, тугоплавкости, стойкости к агрессивным средам и радиации нитрид галлия может с успехом использоваться для этих целей.

Однако, на пути широкого применения нитрида галлия для производства оптоэлектронных приборов лежат значительные трудности в основном технологического характера. Дело в том, что получаемые при современном уровне знаний в области технологии выращивания СаЫ эпитаксиальные слои нитрида галлия Есегда обладают высокой проводимостью п-типа вследствие большого числа вакансий в азотной подрешетке. Для компенсации остаточной проводимости применяют различные примеси

J

'■ акцепторного типа.

В обширном списке литературы по легированию нитрида галлия существует несколько работ, где сообщается о получении слоев с р-типом проводимости. В подавляющем большинстве

случаев при введении высокой концентрации акцепторных примесей получаются сильно компенсированные слои, обладающие при комнатной температуре низким значением удельной проводимости, близким к значению для диэлектриков.

Практически во всех работах отмечается плохая воспроизводимость результатов эпитаксиального роста и легирования. Условия приготовления эпитаксиального слоя с примесью, обладающего заданными свойствами (удельное сопротивление, спектр и квантовый выход лшинесценции) не достаточно четко отражены в литературе.

Целью диссертации являлось:

1) получение дополнительных знаний о свойствах легированных слоеЕ нитрида галлия в зависимости от технологических параметров роста и разновидности технологического газа, используемого в процессе производства материала;

2) исследование влияния электронного облучения на люминесцентные и электрофизические свойства нитрида галлия, легированного цинком.

Научная новизна диссертации состоит в обнаружении и комплексном исследовании электрофизических свойств легированных эпитаксиальных слоев СаИ: Ъп, ранее не описанных в литературе по нитрйду галлия. В частности, особое место в диссертации занимают исследования обнаруженного эффекта активации электронным облучением локальной

катодолгоинесценции нитрида галлия, легированного цинком, проявляющегося в . возрастании квантового • выхода катодолюминесценции и образовании энергетических барьеров в СаЫ:й1 под воздействием электронного зонда.

Практическая ценность диссертации заключается в выявлении влияния различных технологических параметров роста на электрофизические свойства нитрида галлия, легированного цинком. В частности показано, что при производстве нитрида галлия с использованием в качестве технологического газа водорода получаются эпитаксиальные слои, изменяющие 'люминесцентные свойства под действием электронного облучения. Обнаруженный эффект может быть использован для создания "запоминающих" детекторов электронного излучения. Определенную методическую ценность представляет предложенный в диссертации метод наведенного тока с использованием точечного механического зонда для исследования в режиме наведенного тока РЭМ полупроводниковых материалов, несодержащих искусственно созданных барьеров. При помощи предложенного метода были прозеденн исследования внутренней электрической структуры ¿-слоя саИггп.

Апробация работы. Основные результата были доложены на: - IV Всесоюзном симпозиуме то растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Звенигород, 1984 г. ,

>

t.

- v Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел.

• Звенигород, 1987 г.

Публикации. Основные результаты проведенных исследовгнйй опубликованы в 5 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура-и объем диссертации. Диссертация- состоит из введения и четырех глав. Изложение материала внутри каддой главы систематизярованно в виде подразделов,' некоторые из которых имеют более мелкое деление. Диссертация содержит 146 страниц машинописного текста, 44 иллюстрации, библиография включает в себя 94 наименования.

Краткое содержание работы.

Первая глава диссертации является обзорной. В ней

*

приведена краткая историческая справка об основных этапах эволюции в технологии получения нитрида галлия, систематизируются результаты многочисленных исследований различных свойств как легированных так и нелвгированных слоев GaN. • ' -

Вторая глава посвящена описанию технологии получения и основных свойств эпитаксиальных слоев нитрида галлия, на

• которых проводились исследования. В частности, определены оптимальные технологические параметры роста СаЧ в реакторе, исследована зависимость спектра катодолпшнэсценции • от температуры источника цитса.

Образцы, на которых проводились исследования, представляли собой зпитахснальнне слои нитрзда галлил, полученные при поггэда гщцвдпо-хлсриднаго ' кетода. На сапффовую подлопку ориентации ОСОТ вврсевался слой нелегированного нитрида галлия (п-олой) танщшй порядка 5 ;.жм, затем на п-слой осаздался слой ваК, легированный цинком Ц-слой), толщина которого менялась в пределах 2 - 10 мкм.

Исследовались две. серии образцов. Главное отличие между серзями заключалось и том, что в качестве техвзлогичсского газа в одном случае использовался гелр»й, а в другом -водород. В состав каждой серии входили образца с различной концентрацией цинка в з.-слое, что регулировалось температурой источника цинка в реакторе. При производстве образцов температура источняка 2а изменялась в диапазон? 2€0 - 470 С. Это позволяло изменять концентрацию цинка в прадедах 10*8 -10г1а;"э.

состав сЗрезцоз кангролировгхся при помощи-лагерного масс-сга? тра;.:зтра ьас-:» - 1000. Масс-спектр обра~г.о5, полученных с использозашнзм гелия, состоял из двух кже::с«!ЗЕЮс гапяй, ссс-хветстзуэдг.' асочу и гэлгпо. Масс-спектр ог^ргпоз из серии, полученной с использованием водорода, ссдерг>ах дополнительную интенсЕьную линию,

■з

f.

соответствующую водороду. Наличие интенсивной линии водорода в спектре указывает на высокую концентрации атомов Н в образцах этой серии и подтверждает высокую химическую активность водорода по отношению к нитриду галлия, что является известном из литературы фактом.

Спектры катодолюминесценции снимались' при величине ускоряющего напряжения на пушке РЭЫ 20 КВ и токе зонда 10 нА. Зонд во время измерений оставался неподвижным, т.е. измерения проводились в одной точке. При температуре источника цинка ф = 260 с и т = 290 с наблюдалась интенсивная линия в спектре с , 'энергией максимума излучения 2,85 эВ (436 нм>« й шириной на половине высоты порядка 400 мэВ. При температуре т = 335 с и т = 385 С максимум излучения сдвигался к величине 2,5 эВ (497 нм). Эти линии хорошо известны из литературы. В целом, в - зависимости спектров катодолюминесценции от температуры источника цинка прослеживалась известная тенденция сдвига максимума излучения в длинноволновую область спектра по мере увеличения концентрации атомов цинка в нитриде галлия.

В последнем параграфе описан обнаруженный в процессе проведения исследований эффект активации локальной катодолюминесценции эпитаксиальных слоев GaN:zn, полученных с использованием в качестве технологического газа водорода, заключающийся в том, что интенсивность катодолюминесценции с областей, предварительно подвергшихся электронному облучению, возрастала на I - 2 порядка. Состояние с повышенным квантовым выходом катодолюминесценции было названо "активированным".

Активированное состояние сохранялось в течение нескольких лет при комнатной температуре. Отжиг при температуре 250 С в течение 30 минут восстанавливал первоначальные свойства материала.

В третьей главе представлены результаты исследований эаитаксиальных слоев нитрида галлия, легированного цинком, в режиме наведенного тока РЭЫ и изучено влияние электронного облучения на электронную структуру Са11:2п.

В первом параграфе обсуздены методические вопросы, касающиеся исследования неоднородных полупроводниковых , структур в режиме наведенного тока РЭМ.

Во втором параграфе изложены", основные принципы ' предложенного метода наведенного' тока с использованием точечного механического зовда для' исследования в РЭМ полупроводниковых материалов, несодержащих искуственно созданных барьеров.

В третьем параграфе описаны результаты исследований при помощи предложенного метода модельных образцов с сильно отличающейся диффузионной длиной неравновесных носителей, что соответствует двум различным механизмам формирования сигнала.

В четвертом ^параграфе проведены исследования внутренней электрической структуры 1-слся нитрида галлия в зависимости от параметров роста. "Обнаружен эффект образования энергетического барьера на границе облученных электронами и пеоблученных областей Сал:гп.

- э -

В пятом параграфе установлен факт увеличения проводимости i-слоя под действием электронного облучения.

Четвертая глава посвядена описанию ксследовеэзй температурной зависимости ' квантового выхода катодолшшесценщм нлтрзда галлия, легированного цинком. В этой se главе сделано обсб^бнаэ нскесленшс: экстарв:энтгл!ъщх данных, и предложена модель, объяснялся квхзнгз:.: 5й$экта активации локальной катодолчшнбсценции GaN:Zn.

В первом параграфе на основании сравнения экспериментальной зависимости .. интенсивности

катодолшинесценцки нитриде гадлая," легзровенного цинком^ от плотности заряде, внесенного электроншм зонной, и теоретических кригых, шдучевигх ira модальных представлений для термического и ионизационного кехгнизма эффекта активации, бнл сделан выбор в пользу последнего.

Во втором параграфе проведаны измэрспия знаргш активации теплового ' гашения хатодолкл'зесцопцкя эпитаксиальных слоев GaNrZn, которзя оказалась р^зс-5 0,6 + ■0,1 эВ. Ь нем T2i.i;? мучена кинетика пзремдз агг-гнвгц-овннЕого состояв Ooinza б йзрзона'т^ЕЬзее состо«5зта i^ra 'хераческом oTiiirà. В ч&отеоот, установлю дау^слссрг-ус.'.^ xataresp этего пэрчеода, полуъьяк роотв9а-<л»;гй^ Еваргаз ааазыеза (£» 0,5 ± 0,1 ;:3; Е?= 0.9 -t 0,2 s2) и врзшнг радстсата: для комнатной температуры {1= 10" с; т2= 10* с).

В третьем параграфе на основании экспериментальных данных предложена модель, объясняющая эффект активации локальной катодолшинесцендаи эпитансиальных слоев нитрида галлия, легированного цинком, полученных с использованием в качестве технологического газа водорода. При производстве этгтаксяальЕПХ слоев нитрида галлия,, легированного "цинком, с использованием водорода получению . слои • обладают высокой (порядка 10" от"") концентрацией атомов водорода. Следовательно, вероятность нахождения атома водорода в той же ячейке кристаллической решетки, в которой расположен атом цинка, являющийся оптически активным акцепторным центром в вал, чрезвычайно высока. Креме того, таков соседство выгодно энергетически так как водород может образовывать связь с последним неспаренным электроном азота. В результате все связи насыщаются.. В запрещенной зоне присутствуют энергетические уровни, соответствующие связанному с азотом водороду. Электронный зонд разрушает связь N-11, и атом водорода смещается в соседнюю ячейку вследствие сил кулоновского отталкивания. В запрещенной зоне появляется эффективный центр излучательной рекомбинации, связанный с атомом цинка, и квантовый выход катодолшинесценции увеличивается. • Атомы водорода образуют мелкие донорные уровни. Это сопровождается смещением уровня Ферми ближе к дну зоны проводимости и, как следствие, образованием энергетического барьера на границах облученных и необлученных областей, что полностью подтвердилось экспериментально.

Термический отхиг заключается в стимулировании диффузии атомов водорода и восстановлении разорванных связей. Существование двух значений энергии активации перехода системы в равновесное состояние связано с тензорным характером коэффициента диффузии вследствие наличия двух выделяемых направлений в гексагональной решетка, в которой кристаллизуется нитрид галлия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обнаружен эффект "активации" локальной катодолюминесценции гетероэпитаксиальных слоев Сай.-йп, заключающийся в том, что области, предварительно подвергшиеся электронному облучению, имеют на I - 2 порядка более высокий квантовый выход КЛ по сравнению с необлученными областями, причем, состояние с повышенным квантовым выходом КЛ сохраняется при комнатной температуре в течение нескольких лет.

2. Предложен и реализован метод наведенного тока с использованием механического точечного зонда в РЭМ для исследования полупроводниковых материалов, несодеркащих искусственно созданных барьеров.

3. При помощи предложенного метода обнаружен эффект образования энергетического барьера на границах областей 1-слоя СаИ.-гп, предварительно облученных электронами.

4. Обнаружен двухскоростной характер перехода активированного состояния 1-слоя саИ:&1 в первоначальное состояние. Получены соответствующие значения энергии активации термического отжига активированного состояния СаЛггп.

5. На основании экспериментальных данных предложена модель, объясняющая механизм эффекта активации локальной катодолшинесценции Сал^п электронным облучением.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах. ■

1. Обыден O.K., Перловский Г.А., Сапарин Г.В., Попов С.И. Исследование температурных полей, наводимых в образцах нитрида галлия электронным зондом. 'Изв. АН СССР, сер. физическая, 1984, т. 48, N 12, с. 2374-2377.

2. Перловский Г.А., Обыден O.K., Сапарин Г.В., Попов С.И. Температурная релаксация электронностимулированной катодолюминесценции Gaîl:Zn. Вестн. МГУ, сер. 3. физика, астрономия, 1984, т. 25, N 3, с. 21-26.

3. Перловский Г.А., Сапарин Г.В., Обыден С.К., Николаев А.Г. Способ неразрушающего контроля полупроводниковых материалов в растровом электронном микроскопе. Авт. свид. N 1380526, 1986.

4. Перловский Г.А., Сапарин Г.В., Обыден С.К., Николаев А.Г. Метод наведенного тока с использованием механического точечного зонда для исследования полупроводниковых материалов в РЭМ., Поверхность, 1987, N 7, с. I49-I5I.

5. Обыден С.К., Перловский Г.А., Сапарин Г.В., Николаев А.Г. О воздействии электронного облучения на электрофизические свойства нитрида галлия. Изв. АН СССР, сер. физическая, 1987, Т. 51, N 3, с. 452-453.

6. Николаев А.Г., Обыден С.К., Перловский Г.А., Сапарин Г.В. Многофункциональный цветной дисплей с покадровой памятью для растрового электронного микроскопа. Известия АН СССР, сер. физическая, 1989, т. 53, Jé 2, с. 385-388.