Исследование поляризованной люминесценции в нитриде галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ОН

о,

На правах рукописи ДРИЖУК Александр Григорьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В НИТРИДЕ ГАЛЛИЯ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в СПетербургском Государственном Техническом Университете и Вологодском Политехническом институте

Научные руководители - доктор физико-математических наук, доцент Сидоров В.Г.

кандидат физико-метемагических наук, доцент Шагалов М.Д.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор Барыбин A.A. доктор физико-математических наук, профессор Мастеров В.Ф.

Ведущая организация - Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН

Защита состоится " 6 " июня 1997 г. в._часов на заседании

диссертационного Совета К.063.38.16. в СПетербургском Государственном Техническом Университете по адресу:

195251, СПетербург, СПбГТУ, Политехническая ул., 29, __

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПетербургского Государственного Университета.

Автореферат разослан"_"_1997 г.

Ученый секретарь > ,

диссертационного Совета К 063.38.16, кандидат физико-

математических наук O.A. Подсвир>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 СаР. При этом желательно, чтобы их энергетический спектр характеризовался прямыми переходами.

Этим требованиям удовлетворяет нитрид галлия (баГ!) - 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 р-СаЫ, изготовить р-п переходы и создать эффективные светодиоды. В связи с' этим многие работы по исследованию баИ в восьмидесятых годах были свернуты. Но в начале девяностых годов сообщения о создании р-п переходов и светодиодов на баИ вызвали новую волну интереса к ваН. В ряде стран (Япония,-Германия, США и др.) были приняты программы по исследованию баИ и разработке на его основе приборов оптоэлектроники и высокотемпературной электроники. Высокая радиационная, химическая и механическая стойкость СаМ предопределяет возможность создания на его основе полупроводниковых приборов, способных работать в экстремальных условиях. Все сказанное свидетельствует об актуальности исследований

люминесцентных и электрических свойств слоев вал, легированногс различными примесями, с целью выяснения возможности их использования для разработки оптоэлектронных и других приборов.

Одной из наиболее интересных примесей в саы является цинк, который выполняет одновременно и роль компенсирующей примеси, и рол! эффективного иэлучательного центра. Цинк в ваЫ ведет себя сложны* образом, образуя серию уровней в запрещенной зоне. Не смотря на то, что цинк является одной из наиболее исследованных примесей в СаЫ,дс сих пор отсутствует ясность в понимании природы его энергетических уровней, также как и механизмов генерации излучения и протекания тока в светодиодах из баЩгп). Все это стимулирует дальнейшее исследование СаИ(гп).

В процессе изучения свойств светоизлучающих структур из ваН(гп) мы обнаружили интенсивную полосу электролюминесценции (ЭЛ) с линейной поляризацией излучения до 60% и максимумом интенсивности при ЬТтах = 2.55эВ. Данная полоса наблюдалась лишь в слоях СаЫ, легированных Zn в присутствии кислорода. Ранее такая высокая степень поляризации излучения у светодиодов из СаМ(гп) 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 СаЫ(гп,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:

1. Впервые исследованы микроструктура областей свечения в

М-1-п - Сал(гп,0) - структурах (металл - полуизолирующий СаЩгп.О)-низкоомный п-баЫ) и поляризационные характеристики люминесценции СаИ(гп,0) в области примесного и собственного возбуждения.

2. Установлены основные количественные соотношения влияния условий выращивания и легирования СаЩгп,0) на электрические и люминесцентные свойства структур с поляризованным излучением.

3. Расшифрована оптическая микроструктура центров излучения и установлено, что за поляризованную люминесценцию в СаК(гп,0) отвечают внутрицентровые электронные переходы в центрах молекулярного

типа, содержащих 2п и О.

4. Показано, что высокая эффективность и надежность М-1-п - СаЩггьО)- структур с поляризованной электролюминесценцией обеспечиваются двухслойной конструкцией активной ^.-области структуры: внутрицентровая люминесценция возбуждается в примыкающем к п-области СаН(гп,0) - слое с помощью носителей заряда, ускоренных сильным электрическим полем верхнего СаМ(2п)- 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 внутрицёнтрового 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 М-1-п - СаЛ(гп,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-резистивный оптрон.

Разработана методика послеэпитаксиальной обработки структур из саМ(гп,о), повышающая эффективность их электролюминесценции.

Результаты и научные положения, выносимые на защиту:

1. Технологические условия выращивания и легирования Н-1-п структур из GaN с поляризованной электролюминесценцией (а.с.699967) и способ повышения эффективности их ЭЛ (а.с.689472).

2. Экспериментальные результаты по исследованию микроструктуры областей свечения М-1-п структур из СаМ(гп,0). ЭЛ этих структур генерируется в микроплаэмах трех типов с размерами не более 5 мкм: с неполяризованным излучением и линейно поляризованными излучениями с азимутом поляризации перпендикулярным или параллельным гексагональной оси баи.

3. Изолирующая область М-1-п структур асимметрична и состоит из двух слоев: первый, примыкающий к п-слою, легирован цинком и кислородом, а второй, верхний слой, легирован только цинком. Асимметрия строения 1-области является причиной однополярности возбуждения поляризованной ЭЛ, высокой эффективности и надежности излуча-

ющих М-1-П структур.

4. Экспериментальные результаты по исследованию поляризационных характеристик фотолюминесценции СаМ(гп,0) при собственном и примесном возбуждении анизотропных центров.

5. Поляризованная люминесценция в СаН(2п,0) связана с внутри-центровыми электронными переходами в анизотропных центрах, жестко ориентированных в решетке СаЫ. Оптические диполи анизотропных центров ориентированы перпендикулярно гексагональной оси СаИ, а линейные осцилляторы (Я-диполи) дают основной вклад в матричные элементы переходов как при поглощении (=86%), так и при излучении (=89%).

6. Модель электронных переходов, описывающая процессы возбуждения и ионизации анизотропных центров светом, электрическим полем и температурой.

7. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

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

Первая глава содержит обзор литературы по исследованию электрофизических свойств баН и постановку задачи. Обсуждены общие закономерности поведения примесей в СаН. Дан анализ результатов работ по люминесцентным свойствам слоев СаЩгп) и излучающих структур на их основе. Отмечено многообразие способов встраивания 2п в решетку СаИ и склонность цинка к комплексообразованию, следствием чего является разнообразие спектров люминесценции. Обсуждаются трудности выделения элементарных полос люминесценции в СаЫ(2п). Показано, что СаЫ до недавнего времени был одним иэ материалов, на котором наиболее успешно разрабатывались светодиоды с ударным механизмом возбуждения ЭЛ, При этом лучшие результаты получены для М-1-п структур иэ СаЛ{2п). И только в последнее время получен р-СаИ(Мд) и изготовлены на его основе р-п переходы, инжекционные светодиоды и лазеры.

Далее дан анализ наших предварительных результатов и работ других авторов по исследованию голубой поляризованной ЭЛ в М-1-п структурах СаМ(2п,0). Отмечены основные особенности этих структур и их ЭЛ: высокая степень поляризации ЭЛ, возбуждение ЭЛ при одной полярности напряжения, практическое отсутствие поляризации фотолюминесценции при межзонном возбуждении и др..

Анализ показал, что ни собственная анизотропия решетки СаМ, ни внутренние механические напряжения в структурах, ни наличие электрического поля не являются причинами высокой степени поляризации голубой люминесценции в СаЫ(гп,0).- Природа ее может быть связана с анизотропией центров излучения. однако исследований микроструктуры центров излучения не проводилось, что не позволяло сделать вывод о природе поляризованной ЭЛ в ваН. Из-за отсутствия необходимых экс-

периментальных данных невозможно было также отдать предпочтение и какому-то одному из рассматриваемых в литературе механизмов возбуждения поляризованной ЭЛ: ударному или инжекционному, из-за отсутствия необходимых экспериментальных данных.

В конце главы сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена анализу условий выращивания структур и их подготовки к исследованиям, а также описанию экспериментальных методов и установок, использованных для решения задач диссертационной работы.

Исследованные в данной работе структуры выращивались хлорид-но-гидридным методом с использованием горизонтального реактора струйного типа. В качестве подложек служили пластины сапфира, ориентированные в плоскости (1012). В качестве газа-носителя использовался гелий высокой чистоты (99,999%). Расход аммиака и хлористого водорода обеспечивал в зоне расположения подложек парциальное давление Ш3 ~0.3 атк. и СаС1 ~0.006 ати. Температура источника галлия поддерживалась при ~900°С, а температура подложек при выращивании нелегированных слоев (ЗаЫ - при ~1050°С. Выращенные таким образом нелегированные слои СаЫ имели п-тип проводимости. Подвижность и концентрация электронов в п-слоях составляли 60 110см2/В*с и (6 + 10)*1020см~3. В этом же процессе на слой п-СаЫ наращивался вал, легированный цинком (1-слой). Давление паров цинка в зоне роста задавалось температурой источника цинка, которая изменялась в диапазоне 450 + 600°С. Температура подложек при выращивании 1-слоев составляла «950°С.

Характерной особенностью получения структур с поляризованной ЭЛ является использование аммиака, содержащего от 1СГ4 до 10~2 объемных процентов влаги. Конструктивные параметры реактора обеспечивали взаимодействие паров воды и цинка непосредственно в зоне подложек . Установлено, что в зоне осаждения <ЗаК кроме основной реакции СаС1 + МН3= СаИ + НС1 + Н2 протекают, реакции:

7.П + Н20 = 2п0 + Н2 ; 4Н + Ог = 2НгО; 21п + 02 = 22пО, что может приводить к встраиванию в решетку СаЫ как свободного цинка, так и связанных гп-О пар. Действительно, микрозондовый анализ показал, что в структурах с поляризованной ЭЛ всегда наблюдается взаимосвя-заное изменение концентраций цинка и кислорода.

Далее описан разработанный способ обработки выращенных эпитак-сиальных структур, позволяющий повысить эффективность поляризован-

- б -

юй ЭЛ на 14-3 порядка. Способ состоит в электролитическом травлении структур в 0.1 * 0.2% растворе КОН с целью удаления проводящего по-зерхностного слоя СаМ(гп) и проводящих включений в х-слое. Способ юзволяет контролировать изменение распределения интенсивности ЭЛ то поверхности структур в процессе травления. Описаны эксперимента-гьные установки и методы измерения различных параметров структур, а 1менно: концентрации и подвижности носителей заряда, однородности и толщины слоев, совершенства кристаллической структуры, вольт-ампер-шх, вольт-фарадных и вольт-яркостных характеристик, спектральных и юляризационных характеристик электро- и фотолюминесценции, мик-зоструктуры областей свечения и др. Приведены схемы установок, сонструкции держателей образцов, их параметры и дан анализ погреш-юстей измерений. Изложена теория ряда методов. Описана методика юдготовки образцов к измерениям.

Поляризованная ЭЛ наблюдалась только в слоях баЫ с ориентацией [1120), выращенных на сапфировых подложках, ориентированных в плос-сости (1012). При этом оптические оси сапфира и ваИ лежали в одной 1 лоскости, перпендикулярной поверхности структуры, а угол между ниш составлял 17°. Выращенные слои имели блочную структуру, разори-штация блоков не превышала 20'. Толщина нелегированных п-слоев для эазличных структур лежала в пределах 12 + 30 мкм. Толщина 1-слоев структур из оптических измерений составляла 0.5 * 3 мкм, тогда как 13 емкостных измерений она всегда была в 1.2+2 раза меньше. Мы свя-шваем это с электрической неоднородностью 1-слоя по толщине. Кон-;ентрация 2тх в а-слоях по данным микрозондового анализа составляла 1.0госм-3 и более. При одной и той же концентрации гп удельное сопротивление 1-слоя зависело от содержания влаги в ЫН3 во время рос-га, причем с увеличением содержания влаги удельное сопротивление 1-слоя уменьшалось.

В третьей главе представлены результаты исследования микрост-эуктуры областей свечения.

Установлено, что излучение структур генерируется в микроплаз-1ах, размеры которых не превышают 3 * 5мкм. Во всех структурах при-;утствуют микроплазмы с поляризованным излучением и азимутом поля-эизации, перпендикулярным оптической оси СаИ, а также микроплазмы с (еполяризованным излучением. Кроме того, в ряде структур наблюда-шсь микроплазмы с поляризованным излучением и азимутом поляриза-(ии, параллельным оптической оси СаМ.

Величина интегральной степени поляризации излучения структур и её температурная зависимость определяются соотношением концентраций микроплазм с поляризованным и неполяризованным излучением и различиями в температурных зависимостях интенсивности их излучений. При Т=300 К величины интегральной степени поляризации и яркости достигали 60% и 300 кд/м2, а для отдельных микроплазм я 72% и ~ 1000кд/м2• При этом степень поляризации микроплазм с азимутом поляризации, параллельным оптической оси вам, не превосходила 20%. Причем для этих микроплазм были характерны малые яркости и их слабая зависимость от температуры. В структурах с высокой эффективностью и степенью поляризации ЭЛ 60% излучающие области достаточно хорошо повторяют рельеф поверхности образца. Установлено, что чем выше степень поляризации ЭЛ образца, тем более однородное распределение удельного сопротивления по поверхности 1-слоя имеет этот образец и по результатам рентгеноструктурного анализа относится к наиболее совершенным. Во всех исследованных образцах с понижением температуры от 300 до 100 К интенсивность ЭЛ уменьшалась в 8 * 10 раз при постоянном напряжении на образце. При этом ток уменьшался в 3 раза. При понижении температуры характерно возгорание ярких фиолетовых и желтых микроплазм с неполяризованным излучением, хотя они присутствуют и при ЗООК, но их значительно меньше и они имеют меньшую яркость .

В четвертой главе приводятся результаты исследования ЭЛ и <РЛ в структурах СаМ(гп,0), содержащих минимальное количество микроплазм с неполяризованным излучением и только микроплазмы с азимутом поляризации излучения, перпендикулярным оптической оси Саы.

Поляризованная ЭЛ наблюдается только при одной полярности напряжения на структуре ("минус" на 1.-слое). При температуре 300 К полоса поляризованной ЭЛ в наиболее эффективных структурах (к.п.д. ~ 0.2%) имеет максимум при Ъ\/тах ~ 2.55 эВ и наименьшую полуширину ~ 300 мэВ среди известных полос люминесценции, приписываемых присутствию цинка в баМ. Спектр излучения имеет гауссовский вид. Температурный максимум эффективности ЭЛ находится при 320 370 К. степень поляризации ЭЛ в этих кристаллах равна 50 + 60% и не зависит от величины приложенного напряжения, гидростатического давления и температуры до ~ 400 К. При более высоких температурах степень поляризации ЭЛ убывает и при Т ~ 600 К поляризация ЭЛ исчезает совсем.

Структуры с малой эффективностью поляризованной ЭЛ имеют обыч-

но неэлементарные спектры. Методом Аленцева-Фока в их спектрах могут быть выделены кроме поляризованной полосы с Ь\/тах ~ 2.55 эВ одна или несколько полос с Ь\/гаах ~ 1.8 эВ, 2.2 эВ или 2.4 эВ. Излучение в этих полосах не поляризовано, а параметры полос характерны для люминесценции СаМ(гп).

Спектры Ч>Л при межзонном возбуждении со стороны поверхности 1-слоя в отличие от спектров ЭЛ имеют более сложную и более разнообразную форму. Основной максимум ФЛ располагается в диапазоне 1.8 + 2.6 эВ. Степень поляризации всех элементарных полос, выделенных в спектрах ФЛ, не превосходит 3 * 7% в интервале температур 77 * 600К. Все закономерности, наблюдаемые в спектрах ФЛ при межзонном возбуждении (энергии активации температурного тушения, быстродействие, спектральное положение и сдвиги положения максимумов от температуры и интенсивности возбуждения и др.), характерны для ФЛ СаЫ(гп).

Установлено, что при освещении поверхности 1-слоя структуры чежэонным светом могут быть возбуждены только центры, характерные цля СаМ(гп) . При облучении торца структуры светом из области межзонного поглощения, а также поверхности з.-слоя после удаления его юверхностной части толщиной 0.1 * 0.5 мкм, удается возбудить поля-эизованную ФЛ с характеристиками, аналогичными поляризованной ЭЛ. 1ричем, по мере сошлифовывания 1-слоя, наблюдается постепенное уве-шчение интенсивности поляризованной ФЛ, а также постепенное исчез-ювение ФЛ, характерной для баМСгп). Одновременно и более резко, (ем толщина, уменьшаются сопротивление 1-слоя и эффективность поля->изованной ЭЛ. Все приведенные экспериментальные факты свидетельст-|уют о том, что 1-слой состоит из двух слоев. Первый, примыкающий к 1-слою, легирован цинком и кислородом. Второй, верхний слой, леги-ован преимущественно цинком. Сложное строение 1-слоя подтверждено помощью микрозондового анализа, который показал, что на последней тадии роста структуры происходит обеднение растущего слоя по кис-ороду и приповерхностная его часть оказывается легированной только инком.

Из приведенных результатов следует, что однополярность возбуж-ения поляризованной ЭЛ обусловлена асимметрией строения х-слоя изучающей структуры, а ФЛ структур при освещении их поверхности све-эм из области межзонного поглощения определяются верхней частью -слоя, легированной только цинком.

На структурах с удаленным поверхностным слоем были измерены

спектры возбуждения поляризованной ФЛ для СаЫ(2п,0). Эти спектры сравнивались с аналогичными спектрами для СаН(гп). Для СаЫ(гп) люминесценция всегда не поляризована. Спектр ее возбуждения имеет один максимум, который расположен в области собственного поглощения, а его длинноволновый край хорошо кореллирует с краем собственного поглощения. Фотолюминесценция, возбужденная в баМ(2п,0), имеет поляризационные характеристики, идентичные характеристикам поляризованной ЭЛ. Спектр возбуждения имеет два максимума: ~ 2.8 и ~ 3.3 эВ., причем интенсивность первого в 2*3 раза выше второго. Положение и интенсивность полосы возбуждения 2.8 эВ не зависят от температуры. Тогда как полоса 3.3 эВ имеет коэффициент температурного смещения максимума 5.7*10"4 эВ/К, что соответствует температурному коэффициенту изменения ширины запрещенной зоны.

Исходя из полученных экспериментальных данных, можно предположить, что поляризованная люминесценция в 0аИ(2п,0) связана с внут-рицентровыми электронными переходами в анизотропных центрах, жестко ориентированных в решетке ваИ. На основании этого предложена схема электронных переходов, непротиворечиво объясняющая эксперимент. Эта схема переходов подтверждена предсказанным и обнаруженным экспериментально эффектом гашения поляризованной ЭЛ коротковолновым светом. Спектры возбуждения поляризованной ФЛ, спектры гашения поляризованной ЭЛ светом, а также температурное тушение ФЛ и ЭЛ дают набор энергетических зазоров, которых достаточно для количественного построения энергетической диаграммы электронных переходов между уровнями центра и энергетическими зонами в СаН(гп,0).

Обнаруженная возможность возбуждения анизотропных центров при освещении СаИ светом, соответствующим области примесного поглощения, ' позволила привлечь метод поляризационных диаграмм для определения параметров этих центров. Было установлено, что оптические диполи анизотропных центров в СаЫ ориентированы перпендикулярно оптической оси кристалла, а линейные осцилляторы дают основной вклад в матричные элементы переходов как при поглощении ~ 86%, так и при излучении « 89%. Полученный результат об участии' анизотропных центров как в поглощении, так и в излучении, подтверждается высокими значениями степени поляризации возбуждения ~ 62*69% и степени спонтанной поляризации люминесценции « 50%.

По определенным параметрам анизотропных центров были рассчитаны поляризационные диаграммы, которые дали хорошее соответствие с

экспериментальными. Правильность полученных параметров проверялась экспериментами по измерению азимутальных зависимостей степени поляризации при различных ориентациях кристалла относительно возбуждающего поляризованного излучения. Предложена простейшая модель анизотропных центров, соответствующая полученным параметрам: атомы кислорода внедряются в тригональные междоузлия, расположенные в центрах граней элементарной ячейки, а атомы цинка замещают ближайшие к междоузлиям атомы галлия.

В пятой главе приводятся результаты исследования электрических* свойств излучающих структур с целью установления механизма возбуждения поляризованной ЭЛ. Структуры с поляризованной ЭЛ имеют симметричные ВАХ, линейные при малых и сверхлинейные при больших напряжениях. Линейный и сверхлинейный участки ВАХ подчиняются актива-ционным температурным зависимостям с энергией активации Ае~16 мэВ б интервале температур 77 350 к и Ае~130 мэВ при температурах вышё 350 К. ЭЛ возгорается на линейном участке ВАХ. Напряжение зажигания люминесценции прямо пропорционально толщине 1-слоя и имеет порог зажигания 3 В при уменьшении толщины, что соответствует ширине запрещенной зоны Са>1. Максимум внешнего квантового выхода ЭЛ-соответствует началу сверхлинейного участка ВАХ. Вольт-яркостные характеристики структур описываются зависимостью, характерной для ударного механизма возбуждения ЭЛ. Рассмотрены и обсуждены различия в электрических и яркостных характеристиках для светодиодов, изготовленных из структур, полученных в различных технологических условиях. Показано, что поляризованная ЭЛ структур обусловлена электронными переходами внутри 2п-0 комплекса с ударным механизмом возбуж-цения.

Исходя из установленного сложного асимметричного строения 1-области и ударного механизма возбуждения внутрицентровой люминес-денции, предложена зонная схема М-1-п структуры, в которой область ускорения носителей заряда сильным электрическим полем [слой ЗаЛ^п)] пространственно отделена от области, где сосредоточены <ентры поляризованной ЭЛ [слой СаМ(гп,0)]. Эта схема непротиворечию объясняет все экспериментальные характеристики структур как при фямом, так и при обратном смещении. ••

В шестой главе рассмотрен ряд возможных практических примене-гий излучающих структур из СаН(гп,0) в оптоэлектронике.

Установление основных закономерностей влияния технологических

условий выращивания светоизлучающих структур из СаН(гп,0) на эффективность их ЭЛ, а также разработка способа послеэпитаксиальной обработки этих структур, повышающей эффективность ЭЛ, позволили получить структуры, пригодные для изготовления светодиодов. При этом были изготовлены следующие светодиоды:

1. Светодиод с голубым поляризованным излучением. Исследованные М-д.-п структуры, имеющие алюминиевый контакт к д.-слою и индиевый контакт к п-слрю уже являются бескорпусными светодиодами. Их электрические и световые характеристики определяются уровнем легирования и толщиной 1-слоя и площадью контакта к з.-слою. Лучшие образцы светодиодов имели следующие параметры: Ь\/тах~2.55эВ, У=5^40В, 1=2^-10мА, степень поляризации Р=60%, КПД=0.3%.

2. Светодиод с переменным цветом излучения. При повышенной концентрации цинка в а-слое »1021 см"3 в спектре ЭЛ кроме поляризованной полосы с ЬУтах ~2.55 эВ присутствует неполяризованная полоса с Ь\/тах »1.8 эВ. Если на пути вышедшего, из сапфировой подложки излучения поместить поворачивающийся поляроид, то с его помощью можно изменять цвет излучения за счет частичного гашения голубой полосы. Рассмотрены возможности использования этого светодиода как датчика угловых и поступательных перемещений, а также в качестве цветового индикатора отклонения от заданных значений величин электрического или магнитного поля, температуры или механических напряжений.

3. Светодиод с белым цветом излучения. Для светодиодов с переменным цветом излучения при некотором положении поляроида возможно получить цвет излучения близкий к белому. Структуры с белым цветом излучения также могут быть получены при определенном режиме выращивания структур для светодиодов с переменным цветом излучения, а именно, при уменьшении концентрации паров воды в зоне роста. Степень поляризации излучения таких структур составляла ~ 15 ^ 20%, а широкий спектр ЭЛ формировался перекрывающимися полосами с Ь\/тах 2.55 эВ; 2.4 эВ; 2.2 эВ; и 1,8 эВ.

4. Светодиод, работающий при любой полярности. Если на поверхности 1.-слоя структуры с голубой поляризованной ЭЛ нарастить слой СаЫ(гп,0), толщиной 0.2 -5- 1мкм, то изготовленный таким образом светодиод будет генерировать поляризованную ЭЛ при любой полярности. Рассмотрены также возможности изготовления голубых светодиодов с повышенной светоотдачей на основе структур с чередующимися слоями СаЫ(гп) и СаЫ(гп,0). Обнаружена высокая деградационная стойкость

светодиодов из СаЫ(2п,0). Она обусловлена как свойствами нитрида галлия (высокая химическая, термическая и радиационная стойкость), гак и конструктивными особенностями структур, а именно пространственным разделением области сильного поля [ слой СаМ(гп)] и области генерации ЭЛ [ слой СаЫ(2п,0)]. Изменение электрических и люминес-дентных характеристик бескорпусных светодиодов после непрерывной заботы в течение более 10 тысяч часов не превышало 10%. Обнаружена также высокая стойкость светодиодов к действию на них потоков быстрых электронов и прогонов.

На основе М-1-п структур из СаН(гп,0) были изготовлены также 1екоторые оптоэлектронные приборы.

Спектр поляризованной ЭЛ СаН(гп,0) почти идеально согласован :о спектром фоточувствительности С(33. Это позволило создать на ос-юве этих материалов как резисгивный оптрон, нанесением слоя Сйв на ;апфировую подложку со стороны, противоположной структуре из СаЛ, гак и фотоприемник с переключением и памятью нанесением слоя Сйв на ¡епосредственно на 1-слой структуры.

Гетероструктура М-2пТе-1-п-СаН-М может работать как двухцветный -.ветодиод с переключением и памятью. При некотором рабочем напряже-1ии почти все напряжение падает на более высокоомном слое гпТе, где юзбуждается электролюминесценция с максимумом 2 эВ. Дополнительный гмпульс напряжения вызывает в гпТе обратимый электрический пробой, 1то приводит к перераспределению напряжения в структуре и включению :ветодиода. Излучение светодиода, возбуждая фотопроводимость в слое ШТе, еще больше уменьшает его сопротивление. Возникшая положитель-:ая оптическая обратная связь приводит к дальнейшему росту интенсивности излучения светодиода и переключению прибора в низкоомное :остояние, которое запоминается до тех пор, пока на прибор подано 1абочее напряжение. Описанное устройство может работать в режиме готоприемника с переключением и памятью. Освещение прибора импуль-ом света из области фоточувствительности гпТе вызывает включение ветодиода. Прибор переключается в низкоомное состояние и запомина-т световой сигнал внешнего источника.

Практический интерес представляет также возможность использо-ания светодиодов из СаМ(гп,0) в качестве голубых твердотельных ин-икаторов высокочастотного напряжения. Для изготовления индикатора ысокочастотного напряжения выращивались 1-п структуры с увеличен-ой толщиной 1-слоя (более 2 мкм). При этом емкость структуры на

малых частотах имела значения «10_11ф, а в области частот более 1 МГц уменьшалась из-за уменьшения диэлектрической проницаемости СаЫ Благодаря этому частотный диапазон светодиода может быть раздвину до границ, определяемых его быстродействием, а не емкостью. Иссле дования показали, что в диапазоне до 50 МГц включительно, светодио ды из СаЫ(гп,0) могут быть использованы в качестве индикаторов нап ряжений.. Линейность ВАХ, широкий диапазон изменения рабочих напря жений (6 * 50 В) делает их удобными для настройки приборов (в част ности, радиостанций) на максимальную мощность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Обнаружена в М-1-п -СаЛ(гп,0)- структурах голубая поляриэо ванная электролюминесценция (ЬУшах ~ 2,55 эВ, степень поляризаци 60%).

2. Установлены основные технологические условия выращивания легирования М-1-п структур из СаЫ(гп,0) с поляризованной электролю минесценцией (а.с. 699967).

3. Разработан способ повышения эффективности электролюминес ценции М-1-п структур, заключающийся в их электролитическом травле нии,контролируемом по интесивности элекролюминесценции (а.с.689472

4. Показано, что излучение в структурах с поляризованно] электролюминесценцией генерируется в микроплазмах трех типов с раз мерами не более 5 мкм: с неполяризованным и линейно-поляризованным] излучениями с азимутами поляризации перпендикулярным или параллель ным гексагональной оси СаЫ.

5. Установлено, что 1-область структур асимметрична и состой-из двух слоев: первый, примыкающий к п-слою, легирован цинком ) кислородом, а второй, верхний слой, легирован только цинком. Одно полярность возбуждения поляризованной электролюминесценции обуслов лена асимметрией строения ¿-слоя.

6. Люминесцентные свойства структур при освещении.их поверх ности светом из области межзонного поглощения определяются свойствами верхней части 1-слоя, легированной цинком.

7. Возбуждение центров поляризованной люминесценции возможн< как примесным, так и собственным светом.

8. оптические диполи анизотропных центров в большинстве кристаллов СаЩгп,0) ориентированы перпендикулярно гексагональной ос\

кристалла, а линейные осцилляторы дают основной вклад в матричные элементы переходов как при поглощении 86%), так и при излучении 89%).

9. Поляризационные характеристики фото- и электролюминесценции полностью описываются моделью, включающей кроме излучения анизотропных центров и излучение центров изотропного типа.

10. Установлена схема электронных переходов для центра, ответственного за поляризованную электролюминесценцию.

11. совокупность результатов по ВАХ, ВЯХ и мощностным характеристикам подтверждают механизм ударного возбуждения центров поляризованной •электролюминесценции в GaN(Zn,0).

12. Созданные на основе GaN(Zn,0) приборы (а.с. 699967, а.с. 988166) показывают, что эпитаксиальный GaN(Zn,0) является перспективным материалом оптоэлектроники, на базе которого могут быть изготовлены приборы с различными функциональными возможностями, имеющие повышенную деградационную стойкость.

Основные результаты диссертация, опубликованы в следующих работах:

1. Шагалов И.Д., Дрижук А.Г. Поляризованная люминесценция в нитриде галлия.// Письма в ЖЭТФ.-1979. -т.30. -в.1. -с.11-14.

2. A.c. 699967 СССР, МКИ HOIL 33/00. Источник света./ М.Д. Шагалов, В.Г. Сидоров, А.Г. Дрижук, В.М. Андреев, В.Л. Оплеснин. -N 2628156/18-25; заявлено 14.06.78.

3. A.c. 689472 СССР, МКИ H0IL 21/66. Способ контроля травления полупроводниковых Ii-i структур. / М.Д.Шагалов, В.Г.Сидоров,

А.Г.Дрижук, В.М.Андреев, В.Л.Оплеснин. - N 2663683/18-25; заявлено 30.06.78.

4. Шагалов М.Д., Дрижук А.Г. Анизотропия излучения глубоких центров в GaNrZn // Тез. докл. II Всесоюзного совещания по глубоким /ровням в п.п.- 1980. - Ташкент, -с.152.

5. Шагалов М.Д., Дрижук А.Г. Микроструктурные исследования областей поляризованной электролюминесценции в GaN. //ФТП. -1980. -т.14. -в.2. -с.400-401.

6. Шагалов М.Д., Дрижук А.Г. Исследование микронеоднородностей светоизлучающих структур GaN:Zn.//)K. приклад, спектроскопии.-1980. -N32. -В.4. -с.684-688.

7. Дрижук А.Г., Шагалов А.Д., Шагалов М.Д. Структуры с анизотропным излучением на основе нитрида галлия// Электронная промышлен-

hoctb. -1980.- В.8-9. -с.64-65.

8. России В.В., Сидоров В.Г., Шагалов А.Д., Шагалов М.Д., Ша лабутов (O.K. Дрижук А.Г. О природе излучающих центров в GaN.//ФТП -1979. -т.13. -N 12. -С.2411-2413.

9. Шагалов М.Д. Дрижук А.Г. Особенность люминесцентных свойс n-i структур из нитрида галлия.// ФТП. -1980. -т.14. -в.6. -с.121 1215.

10. Дрижук А.Г., Шагалов А.Д., Шагалов М.Д. Люминесцентн! свойства GaN:Zn // Тез.докл. II Всесоюзного совещания по глубок! уровням в п.п. -1980. -Ташкент, -с.153.

11. Шагалов М.Д., Дрижук А.Г. Поляризованная люминесценц] цинкового комплекса в нитриде галлия/ // Тезисы докл. Всесоюзно] совещания по люминесценции. -1981. -Ленинград, -с.96.

12. Шагалов М.Д., Дрижук А.Г. Электрические и люминесцентн! свойства n-i структур из GaN:Zn // Тезисы докл. Республиканско! семинара. Электрические свойства полупроводниковых пленок. Cei тябрь. -1981. -Ровно, -с.14.

13. Дрижук А.Г., Кукушкин В.А., Шагалов М.Д. Оптическая эффв! тивность структур с анизотропными центрами свечения. / Вологодск! политехнический институт -Вологда, -1980, -5с. Деп. в ВИНИТ 12.06.1980. М-200.

14. Шагалов М.Д., Дрижук А.Г. Анизотропия излучения глубок центров в GaN:Zn. // Оптика и спектроскопия. -1983- -b.é -с.1025-1028.

15. Дрижук А.Г., Шагалов М.Д. О свойствах цинкового комплекс в нитриде галлия // Электронная техника, сер. 6. Материалы, -1981 -в.12(161). -с.37-39.

16. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г., Шагалов А.Д. Поляризованная лк минесценция в нитриде галлия. // Тез. докл. III Всесоюзного совещэ ния "Физика и техника широкозонных п.п." Сентябрь 1986. -Махачкала -с.190.

17. Шагалов М.Д., Дрижук А.Г. Спектры возбуждения голубой по лосы люминесценции в GaN(Zn,0) // Оптика и спектроскопия -1986. -Т.61. -В.5. -С.1034-1036.

18. Дрижук А.Г., Шагалов М.Д. Анизотропия излучения n-i струк тур иэ GaN;Zn.O.// Ж, прикладной спектроскопии. -1984. -T.XLI. -N5 - с.858-860.

19. Дрижук А.Г., Лебедев Я.Д., Шагалов М.Д. Модель переходо

при поляризованной люминесценции в GaN:Zn,0 //ФТП. -1984. -т.18. -в.2. -с.379-380.

20. A.c. 988166. СССР, МКИ Н03К17 / 56. Полупроводниковое переключающее устройство с памятью / М.Д.Шагалов, А.Г.Дрижук, Л.Ф Галанова. А.Д. Шагалов / 3290804/18-24, заявлено 4.05.81.

21. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г. Деградационные свойства источников света на основе GaN(Zn,0) // Тез. докл. 11-го Всесоюзного сове-цания "Радиационная стойкость полупроводниковых приборов. Май 1986. -Кишинев. 4.1.-с.81.

22. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г. Об однополярности возбуждения юляризованной электролюминесценции в нитриде галлия.// ФТП. -1986. -в.1 -с.141-144.

23. Дрижук А.Г., Шагалов М.Д. Анизотропные центры излучения в 3aN(Zn,0) // Тез. докл. расширенного заседания секции электролюми-{есценции Научного совета по люминесценции АН СССР. Сентябрь 1989. -Вильнюс, -с.63.

24. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г., Тихонов Е.Ф. О неэлементарности юляризованной полосы люминесценции в GaN:(Zn,0). //Тез.докл. X 5сесоюзной конференции по электролюминесценции. Сентябрь 1991 г. -Ангарск, -с.86.

25. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г. Пути повышения эффективности и [адежности источников излучения на основе униполярных проводнике.// Сб. научных трудов. Вологодский политехнический институт. -юлогда. -1995г. -с.229-233.

26. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г. Светодиоды из нитрида галлия.// 'ез. докл. Российской научно-технической конференции "Инновационные [аукоемкие технологии для России". Апрель 1995г. - СПетербург. с.131.

27. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г. Многофункциональные оптоэлект-онные устройства на основе нитрида галлия.// Тез.докл. Российской аучно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии ля России". Апрель 1995г. -СПетербург. - с.126.

28. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г. Излучающие МДП-структуры с повы-енной эффективностью и надежностью.// Тез. докл. Российской науч-о-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для оссии". Апрель 1995г. - СПетербург. -с.139.

29. Дрижук А.Г., Сидоров В.Г. Деградационные свойства светоди-дов из GaN.// Тез. докл. Россйской научно-технической конференции

"Инновационные наукоемкие технологии для России". Апрель 1995г. СПетербург, -с.140.

30. Drizhuk A.G., Sidorov V.G. Reliability and Stability ' GaN(Zn,0) LEDs.// Proceeding of the International Conference on R< liability of Semiconductor Devices and Sistems. - Chisinav.-199 -p.115.

31. Drizhuk A.G., Sidorov V.G. Reliability and Efficiency i Irradiating MOS Structures.// Proceeding of the International Co; ference on Reliability of Semiconductor Devices and Sistems. -Ch sinav. -1996, -p.277-278.

32. Дрижук А.Г., Зайцев М.в., Сидоров В.Г., Сидоров Д.В. Cbi тодиоды из нитрида галлия с голубым поляризованным излучением. , Письма в ЖТ<Р. -1996, -т.22, -вып.6, -с.67-71.

33. Дрижук А.г., Зайцев м.в., Сидоров в.г., Сидоров Д.в. Cbi тодиоды из нитрида галлия с управляемым цветом излучения от голуб( го до красного.// Письма в ЖТЧ>. -1996, -т.22, -выи'.7, -с.50-52.

34. Drizhuk A.G., Zaitsev M.V., Sidorov V.G., Sidorov D-1 Light-emitting diodes based on GaN.//Program and Summaries 23rd Ii ternational Symposium on Compound Semiconductors. - St Peters burg, -1996, -p.94.

35. Дрижук А.Г., Зайцев M.B., Сидоров В.Г., Сидоров Д.В. Св< тодиод из нитрида галлия с белым излучением.//Письма в ЖТ< -1996, -т.22, -вып.12, -с.23-25.

36. Дрижук А.Г., Зайцев М.В., Сидорог. В.Г., Сидоров Д.В. Мш гоцветные светодиоды из нитрида галлия с поваленной светоотдачей. / Письма в ЖТФ. -1996, -т.22, -вып.13, -с.33-37.

37. Drizhuk A.G., Zaitsev M.V., Sidorov V.G., Sidorov D.\ Gallium Nitride Doped with Zinc and Oxygen - the Cristal for Bli Polarized Light-Emitting Diodes.// Summary of International Sympc sium MRS, 1997, Spring Meeting. - San Francisco, California, US; -1997, -D 8, -p.19.

Sax. W Тираж JCO ООП Водоблкомста*Л$;