Катодолюминесценция нитрида галлия, полученного методом гидридно-хлоридной гетероэпитаксии на сапфире тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

^ #

. #

\

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА Физический факультет

МАТИ - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

На правах рукописи УДК 621.315.592

ЧЕТВЕРИКОВА Изабелла Федоровна

КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ НИТРИДА ГАЛЛИЯ,

ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ГИДРИДНО-ХЛОРИДНОЙ ГЕТЕРОЭПИТ-АКСИИ НА САПФИРЕ

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Диссертация выполнена на кафедре физики полупроводников Мос-<ого государственного университета им.М.В.Ломоносова.

[ные руководители:

доктор ф.-мат. наук, профессор В.С.ВАВИЛОВ канд. ф.-мат.наук, доцент М.В.ЧУКИЧЕВ

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор НИКИТЕНКО В.А. доктор физ.- мат. наук, профессор ПЕТРОВ В.И.

Ведущая организация - АОО НПП «Сапфир»

Защита состоится «/$» .....1998 г. в 15 ч. 30 мин.

На заседании Специализированного совета К.053.05.20 МГУ им. М.ВЛомоносова по адресу: 117899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет, криогенный корпус, аудитория 2-05а. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «1$> 1998г.

[ый секретарь Специализированного совета 3.05.20,

ор физико-математических наук / ч л____

Г.С.ПЛОТНИКОВ

ЭБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание ярких малогабаритных источни-сов света необходимо для изготовления индикаторов, светофоров, автомобильных фар, а также цветных плоских экранов и других средств отображения информации. Если для изготовления ярких источников срасного и желтого свечения используются твердые растворы ва х АЬ. : Аб; для желто-зеленого и зеленого - СаР и твердые растворы АНгЮаР с максимальной квантовой эффективностью от 0,1 до 1%, то для синих ;ветодиодов выбор материалов сильно ограничен -это 2пБе и при-¡ем яркость излучение этих светодиодов довольно мала. Однако для из--отовления качественного цветного дисплея или экрана необходимы си-ше и зеленые источники излучения, сравнимые по яркости с красными.

Одним из материалов, на основе которого можно решить эту за-1ачу является нитрид галлия. Он обладает высокой термической, хими-геской и радиационной стойкостью, имеет прямозонную энергетическую лруктуру и ширину запрещенной зоны Е„ =3,4 эВ при комнатной тем-тературе. В последние годы интерес к нитриду галлия чрезвычайно возрос в связи с тем, удалось изготовить р-п-перехода на ОаМ и это служит определенной гарантией его успешного применения в оптоэлектронике и зысокотемпературной электронике.

Легирование нитрида галлия электрически активными примесями юзволяст создавать в нем издучательные центры синего, желтого и крас-юго свечения, что подтверждено на лабораторных образцах электролю-чинесцентных диодов, спектры излучения которых представляют собой толосы, расположенные в диапазоне длин волн от 350 до 600 нм.

Нитрид галлия может быть также использован для изготовления тазерных диодов ультрафиолетового диапазона, причем при электронном и оптическом возбуждениях стимулированное излучение наблюдаюсь в широком диапазоне температур: от гелиевых до комнатной.

Лабораторные опыты показали его перспективность не только в эптоэлектронике, но и в силовой полупроводниковой электронике, так <ак напряженность поля электрического пробоя в нитриде галлия составляет (5+6) • Ю8 В/м, в то, время , как для эта величина на порядок vleньшe. ваН можно использовать в качестве эмиттера для биполярных гранзисторов на БЮ. Гетероструктуры на СаЫ-АЮаК пригодны для изготовления фотодетекторов и высокочастотных полевых транзисторов ¡до 100 ГГц). Расчеты показали, что максимальная дрейфовая скорость электронов в сильных электрических полях в ваЫ составляет 2.7 • 105 м/с

и более, чём вдвое превышает максимальную дрейфовую скорость в Б!, ОаАз и 31С.

Однако еще не все перспективные возможности нитрида галлия нашли реализацию в промышленности. Это в значительной степени объясняется тем, что:

• отсутствует технология изготовления монокристаллов нитрида галлия достаточно больших размеров,

• существующие методы получения гетероэпитаксиальных слоев неле- тированного СаЫ не позволяли получать однородные слои достаточно большой площади и высокого кристаллографического качества с концентрацией равновесных электронов меньшей , чем 1017 см _3 и контролируемыми электрофизическими параметрами,

• получение р-типа проводимости и создание р-п-перехода до сих пор вызывает большие трудности.

Указанные затруднения объясняются:

• недостаточно полным пониманием влияния условий гетероэпи-таксии СаМ на формирование центров как излучательной, так и безиз-лучательной рекомбинации,

• не ясными до конца механизмами излучательной рекомбинации как в нелегированном, так и в легированном нитриде галлия, что приводит к неоднозначной интерпретации спектров люминесценции,

• отсутствием достоверной информации о природе собственных точечных дефектов, неконтролируемых примесей и возможно их комплексов в нелегированном и легированном ОаК.

Целью настоящей работы является: исследование люминесценции и структурных свойств нитрида галлия в зависимости от условий его осаждения на лейкосапфир различной кристаллографической ориентации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• исследовать влияние технологических условий осаждения (температуры и ориентации подложки) на структурное совершенство, морфологию поверхности и параметры кристаллической решетки гетероэпитаксиальных слоев нитрида.гаялия;

• уточнить ширину запрещенной зоны ОаЫ и ее температурную зависимость,

• определить и уточнить механизмы излучательной рекомбинации, которые наблюдаются в слоях ОаЫ при различных условиях возбуждения катодолюминесценции (КЛ).

Решение поставленных задач достигалось с помощью следующих экспериментальных методик и теоретических расчетов:

• микроморфология поверхности слоев нитрида галлия исследова-пась на растровом электронном микроскопе, работающем в режимах вторичной электронной эмиссии и КЛ;

• параметры решетки определялись на дифрактометре ДРОН-1;

• для исследования КЛ кристаллы ОаЫ возбуждались с помощью электронной пушки при ускоряющем напряжении 7 :-50 кВ, работающей в импульсном режиме с частотой повторения импульсов 200 Гц , длительность импульсов - 0,4 мкс, плотность тока в импульсе могла меняться от 0,05 до 15 А/см2, КЛ исследовалась в диапазоне температур от 6 до 300 К;

• выбраны параметры гауссовской функции генерации для ОаЫ и сделаны расчеты распределения концентрации неосновных носителей заряда с учетом диффузии и поверхностной рекомбинации,

• оценена степень нагрева области возбуждения КЛ.

В результате проделанной работы получены следующие

новые результаты:

• показано, что структурное совершенство гетероэпитаксиальных слоев , осажденных на поверхность лейкосапфира с ориентацией (0001) выше, чем на (1012),

• уточнены механизмы излучательной рекомбинации отдельных полос спектров КЛ нелегированных гетероэпитаксиальных слоев ва!4!, осажденных на (0001)- а АЬ Оз при невысоких уровнях возбуждения,

• установлены механизмы излучательной рекомбинации в слоях нелегированного нитрида галлия, осажденных на (1012)-а А1 ;0з,

• предложена новая интерпретация природы краевого излучения нелегированных слоев СаЫ, осажденных на (0001)- а АЬОз при высоких уровнях возбуждения,

• установлена корреляция между спектрами КЛ СаЫ, легированного цинком и топографией поверхности,

• показано, что облучение образцов нитрида галлия электронами с энергией 1 МэВ оказывает влияние на спектры КЛ и морфологию поверхности,

• обнаружено явление активации КЛ в слоях ваИ : Ъп, осажденных на (0001)-а АЬОз , в результате воздействия электронным пучком с энергией 20 кэВ и плотностью тока 100 А/см 2 , обладающее эффектом памяти.

Практическая ценность работы .заключается в том, что методика исследования спектров КЛ позволяет получить выводы, которые могут быть использованы технологами и разработчиками оптоэлектрон-ных приборов при получении нитрида галлия с контролируемыми электрическими параметрами и заданным спектром излучения. Явление возрастания интенсивности КЛ после облучения мощным электронным пучком может быть использовано для активации различных акцепторных центров, а наличие эффекта памяти позволяет создать носитель памяти с произвольным доступом в системах для записи и воспроизведения информации с высокой плотностью записи и длительным хранением.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• Структурное совершенство гетероэпитаксиальных слоев ваМ, полученных гидридно-хлоридным методом, зависит от ориентации сапфировой подложки.

• Показана сложная структура полос КЛ с максимумами 3,3 и 3,39 эВ нелегированных гетероэпитаксиальных слоев О;^, осажденных на (0001)-а АЬОз при невысоких уровнях возбуждения ; подтверждена экси-тонная природа максимумов 3,472 и 3.456 эВ.

• Спектр излучения в слоях нелегированного нитрида галлия, осажденных на (1012)-а АЬОз обусловлен участием хвостов энергетических зон.

• Краевая линия спектра излучения нелегированных слоев ваИ, осажденных на (0001)- а АЬ Оз при высоких уровнях возбуждения обусловлена ИР электронно-дырочной плазмы.

• Облучение образцов нитрида галлия электронами с энергией 1 МэВ не влияет на механизмы ИР, но оказывает влияние на интенсивность максимумов спектров КЛ и морфологию поверхности,

• обнаружено явление активации КЛ в слоях ваИ : Zn, осажденных на (0001)- а АЬ Оз , в результате воздействия электронным пучком с энергией 20 кэВ и плотностью тока 100 А/см 2, обладающее эффектом памяти.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзном Совещании по широкозонным полупроводникам (Ленинград, 1979); XII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1982); на семинаре «Современные методы электронной микроскопии и их применение» (Таллин, 1983); III Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Одесса, 1982), на 2 Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, февраль 1996), на семинарах кафедры «Микропроцессорные системы, электроника и электротехника» РГТУ им. К.Э.Циолковского-МАТИ.

Получено авторское свидетельство N 1053659 от 8 июля 1983 г. на изобретение «Носитель памяти дая записи информации электронным лучом».

Материалы диссертации опубликованы в 16 научных публикациях , из которых 8 статей в журналах, 7 докладов на конференциях, семинарах и совещаниях, 1 авторское свидетельство.

Структура и объем, диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, включающих 48 рисунков, 13 таблиц, а также библиографического списка из 209 наименований и содержит 154 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности работы, сформулированы ее задачи и цели, указаны пути достижения этих целей и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен литературный обзор результатов, достигнутых в изготовлении и исследовании слоев нитрида галлия.

В пункте 1.1 прослеживается основные этапы исследования нитрида галлия - это 1969 год, когда гидридно-хлоридным методом были впервые получены достаточно качественные слои нелегированного нитрида галлия на сапфире.' Они обладали электронным типом проводимости с минимальной концентрацией равновесных электронов ио=1017 см-3 и подвижностью /лп -100 см2/В-с .Все попытки ввести акцепторые примеси (Ъп или Mg) приводили в лучшем случае к сильной компенсации, получались высокоомные слои, которые обозначали, как слои ь типа (символ 1- от збо^Шщ). На таких ьп- структурах были изготовлены первые синие светодиоды на СаМ, эффективность излучения которых не превышала десятых долей процента.

В настоящее время нитрид галлия выдвинулся в число ниаболее перспективных широкозонных полупроводников, интерес к нему носит лавинообразный характер: растет число публикаций, организуются международные конференции и симпозиумы. Связано это в первую очередь с тем, что в 1989 году удалось получить устойчивый р-тип проводимости и создать р-п-переход, на основе которого изготовлены высокоэффективные светодиоды и лазерные диоды, излучающие в сине-зеленой и УФ-областях спектра. Применение твердых растворов GaN с InN и A1N расширяет спектральный диапазон излучения светодиодов от 0,6 до 0,2 мкм (2.05 до 6,02 эВ). Учитывая перспективные возможности применения GaN в силовой электронике можно утверждать , что нитрид галлия становится материалом №1 среди широкозонных полупроводников.

В 1.2 обсуждаются особенности нитрида галлия в ряду соединений Аз В5 , его физико - химические свойства, приводятся электрофизические параметры. 1.3 посвящен основным методам получения нитрида

галлия в виде гетероэпитаксиальных слоев на различные подложки. - это метод газофазной эпитаксии (ГФЭ), молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и реактивного распыления (РР). Из приведенного обзора следует, что в настоящее время наиболее перспетивным методом является метод газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений и гидридно-хлоридный вариант этого метода с применением Ga, НС1 и NH3 .

В 1.4 излагаются кристаллографические аспекты гетероэпитаксии GaN на различные подложки - искусственный сапфир гексагональной модификации (лейкосапфир сх-АЬСЬ ), карбид кремния а- 6Н- SiC . нитрид алюминия AJN . Несмотря на то, что параметры кристаллической решетки A1N и SiC больше соответствуют праметрам решетки GaN, чем а-А120з, однако именно лейкосапфир остается основным материалом, используемым в качестве подложек при осаждении нитрида галлия. Это связано, в значительной степени с недостаточно освоенной технологией получения и A1N и SiC, а также тем обстоятельством, что применение новых подложек не улучшило существенно электрофизических параметров нитрида галлия.

п. 1.5 и 1.6 посвящены люминесценции нелегированного нитрида галлия, полученного методом газофазной эпитаксии на сапфировые подложки, при низких и высоких уровнях возбуждения. При низких уровнях возбуждения спектры люминесценции слоев GaN сильно зависели от концентрации равновесных электронов, толщины слоев, ориентации подложки. По мнению большинства исследователей краевая линия спектра имеет экситонную природу при гелиевых температурах. Однако ее положение, по данным разных авторов, находится в пределах от 3,465 до 3,477 эВ.

Анализ поведения возможных примесей и дефектов в нитриде галлия приводится в п. 1.7.

В разделе 1.8 обсуждается влияние цинка на люминесценцию ОаИ. Цинк активно исследовался, как наиболее перспективный акцептор в ОаК

Во второй главе описана экспериментальная методика возбуждения и исследования спектров катодолюминесценции (КЛ). В ней рассматриваются: особенности возбуждения люминесценции электронным пучком: представлен расчет распределения концентрации неравновесных носителей в зависимости от характеристик пучка и параметров нитрида галлия; определена степень нагрева электронным пучком области возбуждения КЛ; описана технология осаждения гетероэпитаксиальных слоев нитрида галлия, и экспериментальная установка исследования КЛ.

В пункте 2.1 рассмотрены особенности возбуждения люминесценции электронным пучком . Проведен анализ влияния энергии электронного пучка на распределение по глубине концентрации неравновесных носителей заряда, генерированных этим пучком в СаЫ. Для этого необходимо знать вид функции генерации.

В простейшем случае, когда предполагается однородное распределение неравновесных носителей заряда по всей области возбуждения, скорость генерации выражается ступенчатой функцией.

Более реальный вид функции генерации для одномерного случая, как показали экспериментальные результаты для некоторых материалов, представляет собой гауссовскую функцию, параметры которой должны быть определены для каждого материала.

В 2.2 представлены графики зависимости этих параметров от плотности материала, которые позволили определить их значения для СаИ . Распределение концентрации неравновесных носителей заряда, генерированных электронным пучком по глубине 8р(х), при энергиях электронов от 5 до 50 кэВ показаны в п. 2.3 для случаев, когда

-диффузионная длина Ьр много меньше глубины проникновения электронов (при больших Ее), тогда др(х)=С-г и распределение концентрации неравновесных носителей совпадает с распределением по глубине функции генерации С(х),

- при малых энергиях электронов Ее ,-когда диффузионная длина неосновных носителей заряда сравнима с глубиной проникновения электронов в материал, 5р(х) рассчитывалось из решения диффузионного уравнения с учетом возможной поверхностной рекомбинации.

В пункте 2.5 дается описание экспериментальной установки для возбуждения и регистрации спектров KJI. Она состоит из следующих основных элементов: импульсной электронной пушки с системой питания и фокусировки электронного пучка на образец ; кристаллодержателя, помещенного в сосуд Дюара ; монохроматора ДФС-12 с обратной дисперсией 5 А/мм; фотоумножителя с электронными блоками питания и системы регистрации спектров КЛ.

В пункте 2.6 представлена технология изготовления гетероэпитаксиаль-иых слоев GaN на сапфировые подложки двух ориентаций (0001) и (1012). Исследуемые образцы были получены Макаровым С.И. во Всесоюзном научно-исследовательском институте материалов электронной техники (ВНИИМЭТ, г.Калуга) гидридно-хлоридным методом в соответствии с реакцией:

GaCl + NH3 «-»GaN + HCt + Hit.

При постоянной температуре источника галлия Тс« = 700-900°С, P(NH3) / Р (GaCl) =100, Тп = 900-1100 °С .скорость роста составляла 0,5 -I мкм/мин, толщина выращенных слоев менялась от 2,5 до 30 мкм.

Слои нелегированного GaN на (0001) -аАЬОз имели концентрацию равновесных электронов 10|7-1018 см-3, подвижность электронов составляла /¿,=200-400 см2/В-с, удельное сопротивление р^Ю 3 ом-см.

При осаждении GaN на (1012) -аАЬОз концентрация электронов в нелегированных слоях GaN была по крайней мере на порядок выше и была 1018 -1019 см°, подвижность электронов < 100 см2/В-с.

Легирование слоев нитрида галлия проводилось в процессе роста путем введения в реактор паров металлического цинка. Температура цинка в испарителе ( Tzn) менялась от 260 до 515 °С и она определяла концентрацию цинка в газовой фазе. Концентрация цинка в твердой фазе слоев GaN с увеличением Tzn могла меняться от 1018 до Ю22 см-3.

В третьей главе представлены результаты исследования микротоп< графин поверхности и спектров катодолюминесценции иелегированног нитрида галлия при низких и высоких уровнях возбуждения. Определен ориентировки поверхности слоев и параметры кристаллической решетк GaN в зависимости от ориентации подложки. Обсуждаются механизмы и лучательной рекомбинации, ответственные за излучение в слоях GaN, ос; жденных на (0001)- и (1012)-<х АЬОз. .

В 3.1 показаны микротопографии поверхности нелегированных ело s GaN осажденных на (0001)- и (1012)- ориентированный сапфир. Они свид тельствуют о том, что в первом случае осуществляется послойный, тайга циальный рост слоев с гладким рельефом с преимущественной ориентации (0001). Во втором случае наблюдается сильно развитый рельеф, которь

создается при нормальном росте анизотропных кристаллов с преимущественной ориентацией (1120). Параметры кристаллической решетки слоев ОаН толщиной 25-28 мкм зависели от ориентации подложки: для слоев ОаЫ на (0001)-а АЬОз а=3,178 ± 0,002; с=5,174 ±0,006; в то время, как для слоев СаЫ на(1012)-а АЬОз а=3,256 ±0,006; ¿7=5,218 ± 0,006. Несмотря на то, что геометрические условия гетероэпитаксии лучше выполняются для (1012)-а А1203 , чем для (0001), тем не менее кристаллическая решетка ваИ при осаждении на (1012)-ориентированный сапфир имеет значительные остаточные деформации по оси с , что можно объяснить анизотропией упругих свойств ОаИ, для которого модуль Юнга вдоль с-оси примерно на 30% меньше, чем по д-оси (п.3.2).

В разделе 3.3 обсуждаются возможности существования эксито-нов в исследуемых слоях нитрида галлия. В нелегированных слоях уровень неконтролируемых примесей составляет 1017 - 1020 см-3 , значения концентрации равновесных электронов находятся в том же интервале. Поэтому чтобы оценить, при каких концентрациях допустимо применение теории слаболегированных полупроводников, были рассчитаны следующие величины: величина N -"3, которая характеризует среднее расстояние между атомами примесей; дебаевский радиус экранирования го; боровские радиусы доноров, акцепторов и экситонов в СаМ гга, тх; среднеквадратичный потенциал случайного поля примесей у, положения квазиуровней Ферми Р„ и Гр относительно границ соответствующих зон; а также боровские энергии ионизации доноров, акцепторов и энергию связи свободного экситона (Е С-Е^), (Е а-Еу) и Е^. Расчеты показали, что экситон-ная люминесценция в нитриде галлия может наблюдаться в образцах, в которых концентрация свободных электронов не превышает 5-10" см*3. Для тех образцов, в которых концентрации примесей больше, чем 5 -1018 см-3, для интерпретации спектров КЛ нужно использовать теорию сильнолегированных полупроводников. .

Исследованию спектров КЛ гетероэпитаксиальных слоев нелегированного нитрида галлия на (0001)- и (1012)-а АЬОз, снятых при малых уровнях возбуждения в диапазоне температур 6-кЗОО К , посвящены разделы 3.4. и 3.5.

Для ОаК на (0001)- а АЬОз при Т= 6К и Ее'40 кэВ в спектре КЛ всех исследованных образцов в области — 3,3 эВ наблюдались три А,В,С - полосы излучения: 3,467 ± 0,001 эВ ; 3,393 ± 0,001 эВ ; 3,300 ± 0,001 эВ , полуширина каждой полосы составляла 25 -30 мэВ. Соотношение интен-сивностей полос менялось от образца к образцу. Интенсивность наиболее коротковолновой полосы, (будем называть ее краевой) 3,467 эВ в большин-

стве случаев преобладала над остальными. В отдельных, наиболее совершенных образцах, каждая из полос разделялась на несколько линий:

- краевая полоса разрешалась в дублетную структуру с доминирующим максимумом 3,472 ± 0,001 эВ и полушириной 10 мэВ и небольшим максимумом 3,456 ± 0,001 эВ,

-полосаЗ,393 ± 0,001 эВ состояла из трех линий 3,391 ±0,001; 3,383 ±

0,001; и 3,363 ±0,001 эВ,

- полоса 3,300 ± 0,001 эВ также обнаружила сложную структуру с максимумами 3,296± 0,001 и 3,275 ± 0,001 эВ,

- кроме того, наблюдались широкие полосы излучения 3,180 ± 0,005 эВ и 3,09 ± 0,005 эВ.

Исследование температурной зависимости спектров, а также спектры. Снятые при различных взаимных ориентациях с-оси кристалла относительно направления излучения (к) подтверждают экситонную природу максимумов краевой линии: 3,472 эВ возникает при аннигиляции экситона, связанного с нейтральным донором (Д°Х), энергия ионизации которого Ес -Е<1 = Е (Д°Х) /0,2 ~ 15 мэВ а 3,456 эВ - с нейтральным акцептором (А °Х), для которого £>£;= Е(А° X) /0,1 ~ 185 мэВ

Сложная структура полос 3,393 ± 0,001 эВ и 3,300± 0,001 показала, что в их образовании участвуют одновременно разные механизмы ИР, которые не удается разделить. Однако тот факт, что соотношение интенсив-ностей этих полос может меняться от образца к образцу, что они подвержены очень слабому температурному тушению, и их интенсивность линейно зависит от уровня возбуждения сввдетельствуют в пользу того, что одна из линий каждой полосы имеет примесную природу (или обусловлена дефектами структуры или их комплексами).

Уточнена температурная зависимость ширины запрещенной зоны СаН которая при Т=300 К по нашим данным составляет 3,439 ±0,001 эВ.

Спектр КЛ ваИ на (1012)-а АЬОз при Т=6К, в отличие от соответствующего спектра (0001)- ваКТ, не имел хорошо разрешенной структуры и состоял из широкой полосы со слабо разрешенными максимумами при 3,42 и 3,35 эВ с общей полушириной 220 мэВ. Длинноволновой спад интенсивности продолжался до ~ 3 эВ и имел экспоненциальный характер. Монотонный спад в сторону коротких длин волн распространялся в область энергий, значительно превышающих Е С ростом температуры 6 до 300 °К происходило увеличение полуширины полосы спектра и сдвиг максимумов 3,42 и 3,35 эВ до 3,337 и 3,22 эВ соответственно. Длинноволновой спад интенсивности сохранял экспоненциальную форму 1(Ьсо) ~ ехр(-йй>'#1 с у - 50 мэВ, в то время как в области коротковолнового спада наметился третий максимум излучения при 3,39 эВ, общая полуширина

отосы при Т=300К составила 290 мзВ. Анализ полученных спехтров по-:оляет сделать вывод о том, что КЛ нелегированных слоев GaN на (1012). AI 2О3 обусловлена участием хвоста плотности состояний валентной зол.

Влияние уровня возбуждения на КЛ краевой линии слоев GaN на 001)- а AI :0з - в разделе 3.6. При повышении уровня возбуждения от 10:4 > 6-1026см-3/с динамика поведения полосы с максимумом 3,472 эВ уклады-1ется в представления об излучательной рекомбинации электронно-лрочной плазмы (ЭДП) со следующими параметрами: концентрация элек-юнно-дырочных пар в плазме составляла 2- 1018 см-3 , энергия основного »стояния ЭДП ! 6 ±0,5 мэВ.

В отдельных образцах при высоких уровнях возбуждения одновре-гнно наблюдается несколько линий: 3,451 эВ обусловленная неупругим :ситон-экситонным взаимодействием с испусканием Р с- линии; 3,472 эВ, ютветствующая излучательной аннигиляции связанного экситона, а мак-шум 3,479 эВ возможно обусловлен участием подуровня Г 72v валентной >ны.

Глава 4 (пункт 4.1) описывает микротопографию поверхности слоев aN, легированных цинком и осажденных на (0001)- и (1012)-а АЬОз. Так е, как и в случае нелегированных слоев, ориентация подложки имеет оп-деляющее влияние на микрорельеф поверхности. Отдельные детали мик-эрельефа зависят также от толщины слоев и концентрации цинка, опре-:дяемои Tzn-

Для слоев GaN:Zn на (0001)- )-а АЬОз положение максимума поло-.1 КЛ зависело в первую очередь от концентрации цинка (Т Zn ). При по->пиении TZn от 260 до 355 °С максимум полосы сдвигался в сторону еныних энергий от 2,877 до 2,755 эВ при Т =77 К, а полуширина полосы взрастала от 350 до 580 мэВ. Интенсивность полосы достигала своего аксимума при 290 С и затем начинала падать. Дальнейшее повыше-теТгпОт 355 до 450 °С практически не приводило к сдвигу положения аксимума (при Т =77К), однако полуширина полосы уменьшалась по жвнению с полушириной при Т in =355 °С от 580 до 490 мэВ, интенсив-эсть КЛ также уменьшалась. Это объясняется тем, что при увеличении zn и следовательно концентрации цинка в слое GaN, доля желто-зеленых гнтров в излучательной рекомбинации возрастает. В спектрах это прояв-1ется в уширении полос КЛ, что является следствием наложения не-сольких полос. При максимальной концентрации цинка в газовой фазе эщая интенсивность свечения падает, что свидетельствует о появлении гнтров безизлучательной рекомбинации - вакансий галлия, которые могут

появиться в результате реакции преобразования дефектов: 2пся + Ун -» 2л1ы +Уоа или гпоа Zn¡ + Уоа.

Более подробно исследовались свойства наиболее яркой синей полосы, максимум интенсивности которой приходится на ка> = 2,877 эВ (430 им). Она наблюдается в слоях Оа№2п (Тгп =260° С), обладает максимальной интенсивностью и минимальной полушириной и характеризуется тем, что положение максимума полосы слабо зависит от температуры и уровня возбуждения. При увеличении температуры от 78 до 300 К положение максимума сдвигается в сторону меньших энергий на -30 мэВ, в то время, как ширина запрещенной зоны уменьшается примерно на 65 мэВ, при этом вплоть до комнатной температуры почти не наблюдается тушения люминесценции. Мы полагаем, что эта полоса обусловлена ИР свободных электронов с дырками, локализованными на акцепторном центре Zv\c,a с участием оптических фононов. Это подкрепляется тем, что интенсивность люминесценции, рассчитанная на основе линейного электрон-фононного взаимодействия в рамках адиабатического приближения, выражается пуас-соновским распределением [196]: 1Р~А- ехр(-$■¿'/р/,

где я- константа связи, характеризующая взаимодействие электронов с фононами, р=0, ±1, ±2...-номер линии, определяющий число генерированных фононов, А - постоянная величина для данного материала. Форма полосы с максимумом 2,877 эВ хорошо укладывается в контур огибающей, построенной по максимумам интенсивностей, рассчитанным по приведенным формулам, если считать, что энергия ионизации акцептора Ел =0,37 эВ, Ею =92,4 мэВ, 4.

В пункте 4.3 показано, что в отличие от полосы КЛ с максимумом 2,877 эВ, наблюдаемой в слоях СаЩ0001)- А120з , положение максимума, полуширина и интенсивность полос КЛ слоев- С}аЫ, осажденных На (1012)- АЬОз менялись при изменении температуры, уровня возбуждения, а также при изменении времени задержки после снятия возбуждающего импульса. Положение максимума полосы КЛ слабо зависело от Тг„, а при повышении уровня возбуждения и температуры сдвигалось в сторону больших энергий в диапазоне от 2,68 до 2,78 эВ (463 - 446 нм , зелено-голубое свечение).

Наблюдаемые факты можно объяснить наличием рекомбинационного взаимодействия двух или более излучательных центров. Эти центры создают в запрещенной зоне ОаИ^п энергетические уровни примесных состояний, размытых в полосу , благодаря наличию в ваК флуктуаций случайного поля. Излучение обусловлено излучательной рекомбинацией свободных электронов с дырками, расположенными в примесной зоне.

В разделе 4.4 представлены результаты исследования влияния облучения поверхности GaN электронами с энергией 1МэВ и интегральной плотностью потока (дозой) Ф е =10 14 -МО 18 см -2 на топографию поверхности и КЛ нелегированных и легированных цинком гетероэпитаксиаль-ных слоев GaN на сапфире. Дозовые зависимости относительных интен-сивностей различных максимумов КЛ показали, что наиболее сильное тушение люминесценции испытывает экситонная линия. Дозовые зависимости интенсивности КЛ слоев GaN:Zn, осажденных на (0001)- и (1012) -АЬОз свидетельствуют о том, что влияние облучения на

слои GaN, легированные цинком, значительно слабее, чем на экситонную линию нелегированного GaN и мало зависит от ориентации подложки. Тот факт , что

после электронного облучения не появляется новых максимумов, и электронное воздействие проявляется лишь в ослаблении интенсивности максимумов КЛ в

первую очередь связано с уменьшением времени жизни неравновесных носителей заряда, обусловленном введением центров безизлучательной рекомбинации

Если предположить, что до облучения в GaN существовали комплексы, включающие вакансии азота: VN-Vba; VN-GaN; Ga; -Voa; то при небольших дозах электронного облучения, возможен распад этих комплексов, что приведет к увеличению концентрации центров, на которых происходит связывание экситонов и,следовательно к увеличению интенсивности экситонной линии Ь. Одновременно с этим интенсивность полос с максимумами 3,300 и 3,39 эВ уменьшается, что не противоречит предположению о том, что эти максимумы обусловлены ИР с участием этих комплексов.

Эффект усиления (активации) КЛ наблюдался в растровом электронном микроскопе при воздействие на поверхность образца GaN: Zn на (000!)-а А120з (Тгп=290 С) непрерывного электронного пучка в течение нескольких секунд. Параметры пучка следующие: Ее =20 кэВ, /~10 нА, диаметр пучка d*G, 1 мкм; ./«20*200 А/см2, интегральная доза облучения , при которой наблюдалась активация составляла - 1022 см"2 .

Основные результаты работы:

Исследованы структура поверхности, определены параметры кристаллической решетки и изучены спектры КЛ нелегированных и легированных цинком гетероэпитаксиальных слоев GaN на (0001)- и (1012)- ори-

ентированном сапфире в широком диапазоне температур (6-ь400К) и уровней возбуждения (10 23 -1026 см~3/с).

• показано, что структурное совершенство гетероэпитаксиальных слоев GaN, полученных гидридно-хлоридным методом зависит от ориентации сапфировой подложки. При осаждении на поверхность лейкосап-фира с ориентацией (0001), слои GaN имели гладкую поверхность, концентрацию равновесных электронов п0 ~1017 см-2, подвижность д.,-200-^400 см2/В-с, то время, как для слоев на (1012) характерен сильно развитый рельеф, п0 = 1018 * 1019 см-3, ця < 100 см2/Вс

• уточнены механизмы излучательной рекомбинации полос KJI с максимумами 3,3 и 3,39 эВ нелегированных гетероэпитаксиальных слоев GaN, осажденных на (0001)- а Ah 0з при невысоких уровнях возбуждения; подтверждена экситонная природа максимумов 3,472 и 3.456 эВ.

• установлен механизм излучения в слоях нелегированного нитрида галлия, осажденных на (1012)-а Al 2O3, который связан с участием хвостов энергетических зон.

• предложена новая интерпретация природы краевого излучения нелегированных слоев GaN, осажденных на (0001)-а АЬ<Ь при высоких уровнях возбуждения, которая обусловлена ИР электронно-дырочной плазмы.

• показано, что облучение образцов нитрида галлия электронами с энергией 1 МэВ не влияет на механизмы ИР, оказывает влияние на спектры KJI и морфологию поверхности,

• обнаружено явление активации KJ1 в слоях GaN : Zn, осажденных на (0001)- а Ab Оз , в результате воздействия электронным пучком с энергией 20 кэВ и плотностью тока -100 А/см2 .обладающее эффектом памяти.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Вавилов B.C., Макаров С.И., Чукичев М.В. Катодолюминесцен-ция нелегированного GaN II ФТП,1979, т.13,вып.11,с.2153-2159.

2. Сапарин Г.В., Обыден С.К., Четверикова И.Ф., Чукичев М.В. Морфологическое и катодолюминесцентное исследование гетероэпитаксиальных слоев GaN.: Тез. Докл. 12 Всесоюзная конференция по электронной микроскопии.- Сумы, 1982

3. Четверикова И.Ф., Чукичев М.В., Храмцов А.П. Оптические свойства нитрида галлия, ч. II! Обзоры по электронной технике.Сер.6.-Материалы,-1982.- вып.8,- с.3-58.

4. Четверикова И.Ф., Чукичев М.В., Храмцов А.П. Оптические свойства нитрида галлия. ч2// Обзоры по электронной технике. Сер.6. -Материалы,- 1983.- вып.1.- с.3-44.

5. Вавилов B.C., Жумакулов У., Четверикова И.Ф., Чукичев М.В. . Люминесценция эпитаксиальных слоев Alx-Gai-x -N: Zn: Тез. Докл. ill Всесоюзная конференция по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах,т.2.-Одесса, 1982.

6. Сапарин Г.В., Обыден С.К., Чукичев М.В., Макаров С.И., Четверикова И.Ф. Носитель памяти для записи информации электронным лучом. - Авторское свиде-тельство № 3410238/18 с приоритетом от 14 марта 1982.

7. Сапарин Г.В., Обыден С.К., Четверикова И.Ф., Чукичев М.В.Об аномальной кинетике катодолюминесценции в GaN//BecTHHK МГУ,-1983.-сер.3,- т.24,- №3,- с.56-59.

8.Сапарин Г.В., Обыден С.К., Четверикова И.Ф., Чукичев М.В. Особен-ности кинетики катодолюминесценции, наблюдаемые в РЭМ.: Тез.докл. Всесоюзный семинар «Современные методы электронной микроскопии и их применения»,- Таллин.:май 1983,

9. Сапарин Г.В., Обыден С.К., Попов С.И., Чукичев М.В., Четверикова И.Ф. О воздействии электронного пучка высокой плотности на люминесцирующие материалы. - Препринт МГУ № 06/1983, 4с.,1983.

10. Нечеталенко В.Ф., Чукичев М.В., Четверикова И.Ф. Катодолю-минесценция слоев нитрида галлия, легированных кислородом. :Тез.докл. 2 Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких пленок.- Ивано-Франковск, 1984.

11. Вавилов B.C., Жумакулов У.,Четверикова И.Ф., Чукичев М.В. Низкотемпературная люминесценция твердых растворов AlxGai-xN// Электронная техника, сер.6. Материалы,-1983.-вып.5.-C.36-37.

12. Сапарин Г.В., Обыден С.К., Четверикова И.Ф., Чукичев М.В. Морфологическое и катодолюминесцентное исследование гетероэпитак-сиальных слоев нитрида галлия на сапфире// АН СССР, Поверхность. Физика, химия, механика.- 1984.- №5.-с. 106-111.

13. Четверикова И.Ф.,Чукичев М.В., Расторгуев Л.Н. Рентгенофа-зовый анализ и упругие свойства нитрида галлия// Известия АН СССР, сер. Неорганические материалы,- 1986,- т.22, №1,-с.63-66.

14. Вавилов B.C..Четверикова И.Ф.,Чукичев М.В. Краевая катодо-люминесценция нелегированного нитрида галлия при высоких уровнях возбуждения: Тез.докл.// 3 Всесоюзное Совещание по физике и технологии широко-зонных полупроводников.- Махачкала, 1986.

15. Вавилов B.C., Четверикова И.Ф., Чукичев М.В.,Иванов А.И. Катодошоминесценция нелегированных слоев GaN/ 6H-SiC: Тез .докл. 2 Российская конференция по физике полупроводников.- Зелено-горек.февраль 1996.

16. Чукичев М.В., Четверикова И.Ф. Катодолюминесценция GaN// Материалы Первого Всероссийского Совещания «Нитрид галлия-структуры и приборы»-Москва, МГУ ,2.06.1997-С.Петербург,1998.