Эпитаксиальные слои GaN и многослойные гетероструктуры GaN/AlGaN. Разработка технологии выращивания и исследование свойств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИСТИТУТ ИМ. А.Ф.ИОФФЕ

РГ8 од ;

На правах рукописи ■

г * СЕН !393

Лундпн Всеволод Владимирович

ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СЛОИ GaN И МНОГОСЛОЙНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Са1Ч/АЮа]М. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАЩИВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ

(специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете

и

Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

С.А.Гуревич; кандидат физико-математических наук

А.С.Усиков.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

А.Э.Юнович, доктор физико-математических наук

Ю.В.Жиляев.

Ведущая организация Московский государственный институт

стали и сплавов

(Технологический университет), г. Москва.

Защита состоится 1998 г. в /Л часов на заседанш

диссертационного совета К 003.23.01 Физико-технического института им. А.Ф.Иофф< РАН по адресу: 194021, С-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "¿'е1/^

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Г.С. Кулико!

Общая характеристика работы.

I

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, AIN. 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 огггоэлектронных 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) in университета г. Нагоя (Япония) и С.Накамуры (S.Nakamura) из фирмы Nichia Chemical Industries, Ltd (Япония) был освоен эпитаксиальный рост GaN и его твердых растворов In GaN и AlGaN на сапфировых подложках методом газофазной эпитаксин из металлоорганических соединений (МО ГФЭ) 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 оптоэлектроиных приборов на основе GaN является получение эпитаксиальных слоев высокого качества. При выращивании эпитаксиальных слоев GaN на сапфировых подложках эта задача

- 3 -

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 ваМ/А ЮаИ методом МО ГФЭ и исследование свойств полученных структур. Научная новизна работы

1. Обнаружено наличие инкубационного периода при низкотемпературном осаждении буферных слоев ОаЫ и СаА1Ы в интервале температур 490-520 °С.

2. Обнаружено, что небольшая добавка А1 в низкотемпературный буферный слой ваК позволяет значительно повысить качество эпитаксиального слоя ОаИ.

3. Предложена и применена методика каталитического разложения аммиака при низкотемпературном осаждении буферного слоя. Применение этой методики привело к дальнейшему повышению качества эпитаксиальных слоев ОаЫ. В частности, подавлены дефектные полосы в спектре фотолюминесценции нелегированных слоев ОаЫ.

4. Обнаружена неоднородность свойств эпитаксиальных слоев ваИ по толщине. В частности, выявлено наличие проводящего канала вблизи интерфейса ваИ/сапфир.

5. При росте толстых эпитаксиальных слоев твердых растворов АЮаЫ обнаружен неоднородный характер вхождения А! и формирование квазипериодических флуктуаций состава твердого раствора АЮаМ.

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-п-переходов в эпитаксиальных слоях и многослойных гетероструктурах созданы светоизлучающие диоды с длиной волны в максимуме интенсивности излучения в диапазоне 460-362 им. Научные положения, выносимые на защиту.

1. В эпитаксиальных слоях ваК существенное уменьшение плотности поверхностных дефектов, снижение фоновой концентрации (Иа-М,) и уменьшение полуширины пика краевой фотолюминесценции может быть достигнуто в результате введения триметил алюминия в атмосферу реактора при осаждении буферного слоя ваК (использование буферного слоя СаА1М)

2. Использование каталитического разложения аммиака при низкотемпературном осаждении буферного слоя ваИ (как с добавкой А1, так и без нее) повышает

- 5 -

однородность эпитаксиальных слоев GaN и значительно снижает интенсивность дефектных полос в спектрах фотолюминесценции.

3. Получение эпитаксиальных слоев GaN п- и р- типа проводимости возможно при введении в атмосферу реактора моносилана ( SilLi) и бисциклопентадиенила магния (Mg(C5Hs)2), соответственно. Для получения р-типа проводимости с концентрацией (Na-N<i) до 1+3*1018 см'3 необходим дополнительный отжиг слоев в атмосфере азота при температуре 1000-1300 "С в течение 15-60 секунд-

4. Выращивание эпитаксиальных слоев твердых растворов AlxGai.xN с мольной долей A1N в интервале 0 : 0.1 возможно при введении в атмосферу реактора триметилалюминия в количестве 0+8 мкмоль/мин при потоке триметилгаллия 36 мкмоль/мин. Параметры процесса эпитаксиального роста по сравнению с эпитаксиальным выращиванием GaN не изменяются.

5. 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 элеетрохимии (Париж, 1997);

- Международной конференции по карбиду кремния, нитридам Ш группы и

родственным материалам "ICSC III-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 и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 152 страницах, включая 81 страницу текста, 61 рисунок и 6 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 79 наименований.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы и сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы, представлены научные положения, выносимые на защиту, освещены структура и объем работы, а также кратко изложено содержание разделов диссертации.

Первая глава содержит обзор литературы по выращиванию GaN методом МО ГФЭ на конец 1997 - начало 1998 года. Приведены фундаментальные физические свойства GaN, AIN и InN, их твердых растворов. Обсуждены проблемы, возникающие при эпитаксиальном выращивании GaN в связи с отсутствием подложек, совпадающих с GaN по параметру решетки и коэффициенту термического расширения. Дан подробный анализ литературных данных по оптимальным режимам выращивания эпитаксиальных :лоев GaN на сапфировых подложках методом МО ГФЭ с использованием буферных ;лоев GaN и A1N, осажденных при низкой температуре; показана взаимная тротиворечивость этих данных.

Janee обсуждаются проблемы, возникающие при легировании GaN. В то время как юлучение эпитаксиальных слоев GaN п- типа проводимости обычно не вызывает ¡ущественных трудностей и может быть реализовано при легировании кремнием, •ерманием, оловом или селеном, получение эпитаксиальных слоев GaN р- типа [роводимости оказывается значительно более сложной задачей. В настоящее время динственной применяемой в МО ГФЭ GaN для получения р- типа проводимости кцепторной примесью является магний. Введение магния в GaN само по себе не •беспечивает получение материала р- типа проводимости. Дан подробный анализ азлнчных способов постростовой обработки эпитаксиальных слоев GaN: M g, [риводящих к получению р- типа проводимости в GaN. Описаны различные типы

- 7 -

структур с р-п-переходами на основе эпитаксиальных слоев ОаЫ и твердых растворов ЬЮаК и АЮаН, применяемые для создания эффективных светодиодов фиолетового, синего и зеленого диапазонов. В конце главы сформулированы основные выводы.

Во второй главе описывается применявшееся технологическое оборудование, методики эпитаксиального выращивания ОаЫ, постростовой обработки структур и методы исследования полученных образцов.

Эпитаксиальные слои ваИ, АЮаЫ и многослойные гетероструктуры СаЫ/АЮаК в настоящей работе выращивались на модернизированной технологической установке Epiquip УР-50 ЯР с проточным реактором горизонтального типа, работающим при пониженном давлении; в установке применяется индукционный нагрев подложкодержателя. Подробно описано устройство отдельных блоков установки. Газом-носителем служил водород с содержанием паров воды по точке росы не хуже -95 °С. В качестве соединений-источников Ш группы использовались триметилгаллий (Оа(СНз)з; ТМГ) и триметилалюминий (А1(СНз)з; ТМА), в качестве источника V группы использовался аммиак (ИНз). Для легирования кремнием, магнием и цинком использовались моносилан (БН)), бисциклопентадиеяил магния (1^(С5Н5)г; СргК^), н диэтилцинк (ЗДСгНзЬ, ДЭЦ), соответственно. Все использовавшиеся соединения-источники были произведены на территории России.

При проведении экспериментов в настоящей работе использовались сапфировые подложки ориентации (0001) толщиной 0.4-0.5 мм с разориентацией поверхности относительно кристаллографических плоскостей не более 30 угловых минут. Использовались подложки как от российских, так и от зарубежных производителей. Описана методика подготовки подложек.

При выращивании эпитаксиальных слоев GaN в настоящей работе был использован и оптимизирован двухстадийный метод с низкотемпературным осаждением буферного слоя ОаЫ и последующим эпитаксиальным выращиванием ваИ при высокой температуре (Рис.1). Показаны наблюдавшиеся в настоящей работе типы морфологии поверхности СаИ при оптимальных и неоптимальных режимах эпитаксиального выращивания.

1040°С

990°С

510-520°С

Ш)

1.5 л/мин

2.7 л/мин

Т

I

тмг. 48 мкмоль/мин

36 мкмоль/мин

1

Осаждение буферного слоя ваН '

( Выращивание эпитаксиального слоя ОаЫ

Рис.1. Температурно-временнон режим выращивания эпитаксиального слоя СаЫ. (Приведены оптимальные параметры процесса)

Для получения р-типа проводимости в легированных магнием слоях ваК в настоящей работе использовался метод быстрого отжига на установке БЬеБа АсЗскх ЯМУЗТ. Отжиг производился в атмосфере азота при температурах 1000-1300 °С.

Далее в данной главе описаны применявшиеся в настоящей работе методы исследования выращенных образцов.

В третьей главе описываются особенности низкотемпературного осаждения буферного слоя ОаЫ, влияние параметров осаждения буферного слоя на свойства эпитаксиального слоя ваИ, особенности структуры и свойств эпитаксиальных слоев СаК При исследовании зависимости толщины низкотемпературных буферных слоев СгаЫ от продолжительности осаждения при различных условиях осаждения выявлены следующие характерные особенности (Рис.2):

Потоки ТМГ: • 24 nmol/min О 46 nmol/min

120 180 240 300 360 420 480 Продолжительность осаждения буферного слоя, с

Рис.2. Зависимость толщины буферного слоя ОаЫ от продолжительности осаждения при различных условиях осаждения: #1- температура осаждения 600°С, #2- 520°С, #3- 510°С #4- 490°С, #520°С с использованием катализатора разложения аммиака.

- сильная температурная зависимость скорости осаждения, при этом в диапазоне температур осаждения 490-520 °С скорость осаждения не зависит от величины потока триметилгаллия в широком диапазоне потоков;

- наличие в диапазоне температур 490-520 °С "инкубационного периода", в течение которого осаждения ОаИ не происходит.

Количественный анализ наблюдавшихся зависимостей привел к следующему заключению: скорость осаждения GaN при температурах 490-520 °С определяется кинетикой разложения ТМГ на поверхности образца с энергией активации 49 ккал/моль, в то время как продолжительность инкубационного периода определяется процессом каталитического разложения №Ь на поверхности ваМ с энергией активации 24 ккал/моль. Далее в настоящей главе описаны структурные свойства низкотемпературных буферных слоев и особенности начальной стадии высокотемпературного эпитаксиального роста взЫ.

При оптимизированных параметрах процесса эпитаксиального выращивания ваИ на низкотемпературных буферных слоях ваЫ в настоящей работе были получены зеркально-гладкие эпитаксиальные слои с концентрацией (N¿-N3) по данным С-У измерений не более (1-2)*1016 см"3. Полуширина пика краевой фотолюминесценции (ФЛ) при 77К составляла 20-30 мэВ.

Установлено, что введение в атмосферу реактора малых количеств триметилалюминия при осаждении буферного слоя ваИ (буферный слой ваАН4!) приводит к дальнейшему улучшению свойств эпитаксиальных слоев ваК. При оптимальном соотношении потоков ТМА/ТМГ-0.03 концентрация (N¿-N3) уменьшается до (2-3)*1015 см"3, а полуширина пика краевой ФЛ уменьшается до 11-12мэВ. Кроме того, значительно снижается плотность дефектов на поверхности эпитаксиальных слоев. По данным атомно-силовон микроскопии полученные слои являются атомно-гладкими, с четко различающимися моноатомными ступенями.

Предложена и применена методика разложения аммиака на катализаторе из GaN во время осаждения низкотемпературного буферного слоя ваИ или ОаАМ, что обеспечило существенное подавление дефектных полос в спектрах ФЛ эпитаксиальных слоев. Кроме того, уменьшилась продолжительность инкубационного периода, существенно расширился диапазон толщин буферного слоя, при которых получаются эпитаксиальные слои ваИ высокого качествами повысилась однородность эпитаксиальных слоев. Далее в настоящей главе описываются фотолюминесцентные, катодолюминесцентные и электрофизические свойства нелегированных эпитаксиальных слоев Оа>1. Показано, что эпитаксиальные слои ваИ неоднородны по толщине и состоят из совершенной, упруго деформированной верхней части с низкой концентрацией (N¿-N3) и дефектной примыкающей к интерфейсу с подложкой нижней части с высокой концентрацией

В конце главы перечислены основные результаты по оптимизации выращивания и исследованию свойств нелегированных эпитаксиальных слоев ваИ и сформулированы зыводы.

Четвертая глава посвящена легированию ОаЫ кремнием и магнием для получения шитаксиальных слоев п- и р-типа проводимости и легированию ОаЫ цинком для формирования излучающей области светодиодов синего спектрального диапазона.

- 11 -

Показано, что получение эпитаксиальных слоев п- типа проводимости с концентрацией носителей в интервале 5*1017-6*1018 см"3 возможно при введении в атмосферу реактора моносилана в количестве 0.1-5 нмоль/мин. Измеренная по эффекту Холла подвижность носителей при 300К достигала величины 250см2/В*с при типичных значениях 150200 см2/В*с.

Слои GaN р- типа проводимости толщиной 0.5-1 мкм, выращенные на нелегированных и легированных кремнием эпитаксиальных слоях GaN толщиной 2-3 мкм, былц получены при легировании магнием с последующим отжигом в атмосфере азота при температуре 1000-1300 "С в течение 15-60 секунд. Концентрация (N,-Nd) изменялась в диапазоне 3*1017-3*1018 см"3 при изменении уровня легирования и режима постростового отжига. Обсуждаются спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слоев GaN, легированных кремнием и магнием.

Установлено, что вольт-амперные характеристики эпитаксиальных структур, в которых слой GaN:Mg выращивался непосредственно на слое GaN:Si, симметричны и близки к омическим. Измеренные напряжения отсечки не превышают 0.6-0.7 В. Введение между слоями GaN:Mg и GaN:Si преднамеренно не легированного слоя GaN толщиной 0.2-0.5 мкм (формирование p-i-n структур) приводит к существенному изменению характера вольт-амперных характеристик. В таких структурах напряжения отсечки составляют 2.8-3.6 В, обратные напряжения пробоя превышают 25-30 В. Показано, что эпитаксиальные слои GaN с тонкой, менее 100 нм, областью, легированной цинком, могут быть получены при введении в атмосферу реактора диэтилцинка и одновременном снижении температуры подложки до 800 °С. По данным вторично-ионной масс-спекгроскогага, концентрация введенного цинка достигает 2-3*1018 см"3 при высокой резкости фронтов в профиле распределения цинка. В конце главы перечислены основные результаты по легированию эпитаксиальных слоев GaN и сформулированы выводы.

В пятой главе описываются особенности эпитаксиального роста твердых растворов AlGaN и гетерострукгур GaN/AlGaN. Показано, что эпитаксиальные слои твердых растворов AlGaN с мольной долей A1N в интервале 0-0.1 могут быть получены при введении триметилалюминия в атмосферу реактора в процессе эпитаксиального выращивания. Тонкие, не более 0.5 мкм, слои AlGaN, выращенные на эпитаксиальных

- 12 -

слоях GaN толщиной 2-4 мкм, однородны по составу, имеют атомно-гладкую поверхность по данным атомно-снловой микроскопии и полуширину краевой полосы ФЛ при 77К порядка 18-20 мэВ.

При выращивании толстых, 1-4 мкм, слоев AlGaN при постоянных условиях как на эпитаксиальных слоях GaN, так и непосредственно на низкотемпературном буферном слое GaAIN, содержание A1N в эпитаксиальных слоях оказывается неоднородным по глубине. Наблюдается градиентное увеличение содержания A1N по мере увеличения толщины слоя. Кроме того, наблюдаются квазипериодические флуктуации состава твердого раствора. Период флуктуаций составляет 0.1-0.3 мкм, что близко к опубликованным критическим толщинам эпитаксиальных слоев AlGaN, выращенных на слоях GaN.

Показано, что при выращивании толстых слоев AlGaN при постоянном отношении потоков ТМА/ТМГ непосредственно на низкотемпературном буферном слое GaAIN спектр оптического поглощения слоя мало отличается от спектра оптического поглощения GaN и определяется тонкой частью слоя с минимальным содержанием A1N, расположенным вблизи подложки. Использование переменного в процессе эпитаксиального выращивания отношения потоков ТМА/ТМГ позволяет получить более однородный профиль распределения A1N по толщине слоя и сдвинуть край оптического поглощения в коротковолновую область. Такие эпитаксиальные слои могут использоваться как широкозонные окна для ввода и вывода поглощающегося в GaN оптического излучения. Описывается легирование эпитаксиальных слоев AlGaN кремнием для получения п- типа проводимости и влияние отжига на фотолюминесцентные и электрофизические свойства эпитаксиальных слоев AlGaN:Si. В двойной гетероструктуре GaN/AlGaN с активной областью GaN толщиной 0.35 мкм получена лазерная генерация при оптической накачке с пороговыми плотностями 35 КВт/см2 и 85 КВт/см2 при 77К и 300 К, соответственно. Эти значения находятся на уровне лучших мировых результатов.

Получены многослойные периодические гетероструктуры GaN/AIGaN с толщиной слоев GaN и AlGaN по 70 нм. Показано повышение резкости и планарности интерфейсов в результате высокотемпературного отжига сапфировой подложки в атмосфере аммиака (нитридации сапфира) перед осаждением буферного слоя GaAIN. В этих структурах

- 13 -

впервые в системе АЮаИ наблюдалось снижение плотности прорастающих дислокаций на гетероинтерфейсах.

В нелегированных гетероструктурах ОаМ/АЮаЫ обнаружено проникновение А1 в слои СаИ, показано, что легирование слоев СаЫ кремнием и/или магнием сильно снижает величину проникновения А1 в эти слои.

В конце главы перечислены основные результаты по выращиванию и исследованию свойств нелегированных и легированных эпитаксиальных слоев АЮаЫ и многослойных гетероструктур ОаЫ/АЮаЫ и сформулированы выводы.

В шестой главе приведены результаты исследований светодиодов на основе р-п-переходов в эпитаксиальных слоях ваИ и гетероструктурах ОаН/АЮаЫ. Описаны светодиоды, изготовленные из р-ьп - структур, сформированных в эпитаксиальных слоях СаЫ и двойных гетероструктурах ОаЫ/АЮаМ. Спектры ЭЛ данных светодиодов содержат, как правило, одну полосу с максимумом на длине волны 440 нм (#2 на рис.3).

Введение в эпитаксиальную структуру тонкого активного слоя ОаЫ:^ позволяет увеличить эффективность светодиодов и сместить максимум интенсивности ЭЛ в длинноволновую сторону до 460 нм (#1 на рис.3). При токе 25 мА на неразрезанной эпитаксиальной структуре измеренная оптическая мощность составляй 120мкВт, что соответствует внешней квантовой эффективности 0.15-0.17%. В случае применения при монтаже светодиодов специальных конструктивных решений, обеспечивающих эффективный сбор и вывод излучения, можно ожидать получение внешней квантовой эффективности прибора более 0.5%.

Далее в настоящей главе описаны светодиоды на основе двойных гетероструктур АЮаЫ/ОаЫ, излучающие в ультрафиолетовой области спектра с максимумом интенсивности ЭЛ на длине волны до 362 нм. Согласно литературным данным, эти светодиоды являются самыми коротковолновыми светоизлучающими приборами на основе соединений Щ-Ы. Для обеспечения вывода краевого излучения из активной области ОаК через подложку в качестве широкозонного окна использовались эпитаксиальные слои АЮа>1:81, выращенные непосредственно на низкотемпературном буферном слое СаА1Ы.

#1 #2 #3

Энергия кванта, эВ

/

Рис.3. Нормированные спектры ЭЛ светодиодов на основе р-п - переходов в эпитаксиальных слоях ваК и гетероструктурах АЮаЫЮаМ.

#1 - спектр ЭЛ светодиода, изготовленного из эпитаксиальной гетероструктуры СаН/АЮаЫ с активной областью СаМАг, #2 - спектр ЭЛ светодиода, изготовленного на основе р-1-п структуры, сформированной в эпитаксиальном слое СаИ; #3 - спектр ЭЛ светодиода, изготовленного из двойной гетероструктуры СаМ/АЮаИ с широкозонным окном АЮаМ.'Б! для вывода излучения.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

1. Определены оптимальные параметры процесса эпитаксиального выращивания слоев ОаЫ с использованием низкотемпературных буферных слоев взЫ.

2. Определены особенности процесса низкотемпературного осаждения тонких буферных слоев Оа}\ на сапфире. Обнаружено наличие "инкубационного периода" в интервале температур 490-520 °С, во время которого осаждения ваИ не происходит.

3. Предложены и разработаны новые методы повышения совершенства эпитаксиальных слоев СаЫ: использование буферных слоев СаА1Ы и каталитическое разложение

аммиака при осаждении буферных слоев GaN и GaAIN. Параметры полученных эпитаксиальных слоев - полуширина кривой рентгеновской дифракции не более 5.5 угловых минут в режиме со-сканирования и 25 угловых секунд в режиме 0-2® сканирования, полуширина линии краевой ФЛ 11-12мэВ при 77К, концентрация (Nd-N,,) не более (2-3)*10|5см"3 - находятся на уровне лучших мировых результатов. Проведены исследования свойств эпитаксиальных слоев GaN.

4. Разработаны методы легирования GaN для получения эпитаксиальных слоев р- и п-типа проводимости.

5. Получены эпитаксиальные слои AlGaN с содержанием A1N до 10 моль% и многослойные гетероструюуры GaN/AlGaN и проведены исследования их свойств. В двойной гетероструктуре GaN/AlGaN получена лазерная генерация при оптическом возбуждении при комнатной температуре с пороговой плотностью 85 КВт/см2, что находится на уровне лучших мировых результатов.

6. Получены прототипы светоизлучающих диодов с длиной волны в максимуме излучения от 460 до 362 им.

Результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Some Features of Initial Stages of the GaN Epigrowth by Low Pressure Metalorganic Chemical Vapor Deposition Method. W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, M.E.Gaevski, M.V.Baidakova, Third International Symposium on Diamond Films ISDF3, St. Petersburg, Russia, 16-19 June, 1996, Scientific Club of the Polytechnical Institute in Lestioe, Journal of Chemical Vapor Deposition, V.5, №1.

2. Study of Initial Stages of the GaN Grows on the Sapphire Substrates, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, M.E.Gaevski, M.V.Baidakova, A.V.Sacharov. 23-rd International Symposium on Compound Semiconductors. St. Petersburg, Russia, 23-27 September, 1996, Astoria Hotel. Inst. Phys. Conf. Set. No 155: Chapter 3. p 319-322.

3. Optical and electrical properties of Ш-N structures grown by MOCVD on sapphire substrates, W.V. Lundin, A.S. Usikov, U.I. Ushakov, M.V. Stepanov, B.V. Pushnyi, N.M. Shmidt, V. Tret'yakov, M.V. Maximov, A.V. Sakharov. EW MOVPE VK, Berlin, Germany, 8-11 June, 1997. Workshop Booklet, F10.

4. Surface Morphology and Peculiarities of Stimulated Emission in MOCVD GaN-AlGaN Double Heterostructure A.S. Usikov A.V. Sakharov, M.V.Maximov, W.V. Lundin, B.V.Pushnyi and N.N. Ledentsov EW MOVPE VII, Berlin, Germany, 8-11 June, 1997. Workshop Booklet, Fll.

5. Defect engineering in GaN Technology. N.N.Faleev, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, A.V.Sacharov, N.M.Shmidt, U.I.Ushakov, A.S.Usikov ICDS-19, Aveiro, Portugal, 21-25 July-1997, abstracts, p.41.

6. The Influence of GaN Buffer Layer Stoichiometry on Properties of GaN Epilayer.

A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.I Ushakov, B.V.Pushnyi, N.M.Shmidt, B.Ya.Ber, Yu.N.Kudryavzev, V.Yu.Davidov, Ш-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The Electrochemical Society and International Society of Electrochemistry, Paris, France. August 31-September 5,1997, Meeting Abstracts, (1841), p 2114.

7. The Growth Features of Ш-N Layers Grown on Sapphire Substrates and their Optical and Electronic Properties. A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.I. Ushakov, M.V.Stepanov, B.V.Pushnyi, N.N.Faleev, N.M.Shmidt, V.N.Tret'yakov, Ш-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The Electrochemical Society and International Society of Electrochemistry, Paris, France. August 31-September 5, 1997, Meeting Abstracts, (1840), p 2113.

8. Optical and Structural Characterization of a GaN/GaAIN Laser Heterostructure Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition. A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.I.Ushakov,

B.V.Pushnyi, N.N.Faleev, A.V.Sakharov, T.V.Shubina, A.A.Toropov, V.YuJDavidov, Yu.M.Zadiranov, Ш-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The Electrochemical Society and International Society of Electrochemistry, Paris, France. August 31 -September 5, 1997, Meeting Abstracts, (1834),

p 2107.

9. Electronic and optical properties of the device structures based on GaN after dry etching. A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.I Ushakov, B.V.Pushnyi, N.M.Shmidt, Yu.M.Zadiranov, T.V.Shubina, Ш-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The Electrochemical Society and International Society of

Electrochemistry, Paris, France. August 31-September 5, 1997, Meeting Abstracts, (1833), p 2106.

10. Electrical and optical properties of highly strained GaN epilayers, A.S. Usikov,

W.V. Lundin, B.V. Pushnyi, N.M. Shmidt, V.Yu. Davidov, A.V. Sakharov, T.V. Shubina, A.A. Toropov, N.N. Faleev, M. Shcheglov, A.F. Tsatsurnikov, Proceedings of the 7^ International Conference on Silicon Carbide, Ш-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1393-1396.

11. Some features of a nucleation layer growth process and its influence the GaN epilayer quality, W.V. Lundin, A.S. Usikov, B.V. Pushniy, U.I. Ushakov, M. Stepanov, N.M.Shmidt,A.V Sakharov Yu.M. Zadiranov, S.M. Suturin, V. Busov, Proceedings of the 7й International Conference on Silicon Carbide, Ш-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1125-1128.

12. Optical and structural studies of thick AlGaN alloy layers and AlGaN/GaN heterostructures on sapphire substrates, W.V.Lundin, A.S.Usikov, B.V.Pushnyi, U.LUshakov, M.Stepanov, N.M.Shmidt, T.V. Shubina, A.V. Sakharov, N.N.Faleev, V.A.Solov'ev, A.A. Sitnikova, Yu.Kudriavtsev, B.Ya.Ber, Yu.M. Zadiranov, Proceedings of the 7й International Conference on Silicon Carbide, Ш-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1315-1318.

13. basing and gain mechanisms in AlGaN-GaN double heterostructures: correlation with structural properties, J.Holst, M-Strassburg, N.N.Ledentsov, L.Eckey, A.Goldner, A.Hoffmana, D.Rudloff, T.Hempel, F.Bertram, J.Christen, A.V.Sakharov, M.V.Maximov, A.S.Usikov, W.V.Lundin, B.V.Pushniy, Zh.LAlferov, Proceedings of the 7й International Conference on Silicon Carbide, Ш-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1291-1294.

14. Особенности стимулированного излучения при оптической накачке в двойной гетероструктуре GaN/AiGaN. Письма в ЖТФ 23 (15) 53-59 (1997) А.С.Усиков, А.В.Сахаров, М.В.Максимов, В.В.Лундин, Б.В.Пушный и Н.Н.Леденцов.

15. Особенности роста, свойства слоев и гетероструктур GaN и GaAIN, выращенных эпитаксией из металлоорганических соединений, Пушный Б.В., Усиков А.С., Бер Б.Я., Лундин В.В., Сахаров А.В., Ситникова А.А., Степанов М.В., Ушаков Е.И., Фалеев Н.Н.,

Шмидт Н.М., Шубина Т.В., Ш Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники'97", Москва 1 -5 декабря 1997, тезисы докладов, стр. 359.

16. Поведение легирующих и фоновых примесей в эпитаксиальных слоях и гетероструктурах GaN/GaAIN, Лундин В.В., Пушный Б.В. Ушаков Е.И., Усиков А.С., Шмидт Н.М., Бер Б .Я., Кудрявцев Ю.А., Соловьев В.А., Шубина Т.В., Ш Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники'97", Москва 1-5 декабря 1997, тезисы докладов, стр. 283.

17. Свойства слоев и гетероструктур GaN-GaAIN, выращенных на сапфировых подложках, В.ВЛундин, С.А.Гуревич, 1-я Городская студенческая конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектрошпсе, С-Петербург, 28 ноября 1997, тезисы докладов, стр. 11.

18. Effect of Si doping on structural, photo-luminescence and electric properties of GaN, N.M.Shmidt, A.V.Lebedev, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, V.V.Ratnikov, T.V.Shubina, A.A.Tsatsul'nikov, A.S.Usikov, G.Pozinaand B.Monemar, E-MRS'98, Strasbourg, France, June 16-19, 1998, abstracts, L-28.

19. The peculiarities of optical, electrical and structural properties of the GaN and AlGaN films in relation to MOCVD nonequilibrium growth conditions, A.S. Usikov, B.Ya.Ber,

W.V. Lundin, B.V. Pushnyi, N.M. Shmidt, E.I.Ushakov, A.V.Sakharov, M.N. Tkachuk, A.F. Tsatsulnikov, The Third European GaN Workshop, abstracts p. 73.

20. Heterostructure for UY LED's Based on Thick AlGaN Layers, A.V.Sakharov, W.V.Lundin, A.S.Usikov, Yu.A.Kudriavtsev, A.V.Lunev, Y.M.Shemiakov, N.N.Ledentsov, The Third European GaN Workshop, abstracts p 42.

21. Macro- and microstrains in the MOCVD-grown GaN, A.S.Usikov, V.V.Ratnikov, R.Kyutt, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, N.M.Shmidt, M.P.Scheglov. The Third European GaN Workshop, abstracts p 75.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН 188350, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 358, тир. 100, уч.-нзд. л. 0,9; 23.VII.1998 г.