Механизмы излучательной рекомбинации в гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

1. Введение

1.1. Актуальность темы.

1.2. Основные цели работы.

1.3. Научная новизна.

1.4. Основные положения, выносимые на защиту.

1.5. Научная и практическая ценность.

1.6. Достоверность результатов

1.7. Апробация работы.

1.8. Публикации.

1.9. Структура и объем диссертации.

2. Литературный обзор.

2.1. GaN и близкие к нему соединения.

2.1.1. Фундаментальные свойства GaN.

2.1.2. Свойства тройных соединений нитридов.

2.2. Технологии роста структур на основе GaN.

2.3. Гетероструктуры AlGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами. 21 2.3.1. Макроскопическая поляризация и разрывы зон на гетерограницах.

2.4. Механизмы излучательной рекомбинации в гетероструктурах на основе 24 GaN.

2.4.1. Эффект Штарка в структурах с квантовыми ямами и 24 локализованные экситоны.

2.4.2. Рекомбинация в хвостах плотности состояний.

3. Модель двумерной комбинированной плотности состояний.

3.1. Эффективная ширина запрещенной зоны.

3.1.1. Энергетическая диаграмма активной области гетероструктуры с 28 квантовыми ямами InGaN.

3.1.2. Уровни размерного квантования в одиночной квантовой яме InGaN.

3.1.3. Ширина минизон в сверхрешетках InGaN/GaN.

3.2. Флуктуации потенциала и хвосты плотности состояний.

3.3. Описание спектра люминесценции моделью комбинированной 37 двумерной плотности состояний.

4. Методика эксперимента.

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Исследуемые образцы.

4.3. Экспериментальные методики, результаты которых использовались в работе.

5. Экспериментальные результаты.

5.1. Синие и зеленые светодиоды на основе гетероструктур с МКЯ.

5.1.1. Спектры электролюминесценции.

5.1.2. Интерференционная структура в спектрах синих СД с МКЯ.

5.1.3. Вольт-амперные характеристики.

5.1.4. Распределение заряженных центров.

5.1.5. Мощность излучения иКПДСД.

5.2. Сравнительный анализ зеленых светодиодов на основе гетероструктур с МКЯ.

5.2.1. Спектры электролюминесценции.

5.2.2. Интерференционная структура в спектрах зеленых СД с МКЯ.

5.2.3. Мощность излучения иКПДСД.

5.2.4. Распределение заряженных центров.

5.2.5. Вольт-амперные характеристики.

5.3. Температурные измерения.

6. Обсуждение результатов.

6.1. Энергетическая диаграмма гетероструктур.

6.1.1. Распределение зарядов в гетероструктуре.

6.1.2. Распределение потенциала и электрического поля в гетероструктуре.

6.1.3. Энергетическая диаграмма гетероструктуры.

6.2. Описание спектров моделью двумерной комбинированной плотности состояний.

7. Выводы.

8. Литература.

1. Введение

1.1. Актуальность темы.

Исследования нитрида галлия имеют давнюю историю, в которую внесли свой вклад и ученые физического факультета МГУ. Приоритетные исследования кристаллической структуры GaN были сделаны Г.С.Ждановым в 1936 г. [1.1]. В 1971 г. проф. Ж.Панков, работавший в лабораториях фирмы RCA, Princeton, продемонстрировал люминесценцию голубых светодиодов (СД) металл-изолятор-полупроводник из GaN [1.2]. После этого интенсивные исследования катодолюминесценции GaN проводились группами М.В.Чукичева и Г.В.Сапарина на кафедрах физики полупроводников и физической электроники в тесном контакте с промышленными лабораториями [1.3-1.5]. Они открыли эффект активации акцепторов при электронной бомбардировке. В конце 80-х гг. проф. И.Акасаки и Х.Амано открыли, что электронная бомбардировка может быть использована для создания большой концентрации дырок в GaN, легированном Zn или Mg. В начале 90-х годов Шуджи Накамура из исследовательской лаборатории компании Nichia Chemical Ind. разработал новый «двухпоточный» метод МОС-гидридной эпитаксии и термический метод активации акцепторов в p-GaN; он продемонстрировал сверхяркий голубой СД на основе GaN [1.2]. Следующим шагом стал рост гетероструктур на основе тройных твердых растворов InGaN/AlGaN/GaN и демонстрация в 1996 г. фиолетового инжекционного лазера, работающего в постоянном режиме при комнатной температуре [1.2].

В последнее время проблемы исследований и разработок нитрида галлия, структур и приборов на его основе стали чрезвычайно актуальными. За последние годы в разных промышленных и академических лабораториях была разработана и исследована технология эпитаксиального роста, легирования, травления и обработки многослойных гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с одиночными и множественными квантовыми ямами (ОКЯ и МКЯ) на подложках из сапфира или карбида кремния. Разработки ведут к созданию и освоению промышленного производства новых приборов оптоэлектроники и микроэлектроники: эффективных светодиодов для коротковолновой части видимого спектра, инжекционных лазеров, мощных высокочастотных транзисторов, ультрафиолетовых фото детекторов.

Актуальность темы обусловлена необходимостью исследований процессов рекомбинации в гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами. Эти структуры являются основой для разработок полупроводниковых светодиодов и лазеров для синей и зеленой области видимого спектра, представляющих большой интерес для практических применений.

1.2. Основные цели работы.

Основная цель настоящей работы - подробное исследование процессов излучательной рекомбинации носителей тока в сложных гетероструктурах на основе GaN.

Конкретные научные задачи работы:

1. Исследование спектров электролюминесценции и эффективности светодиодов как основных характеристик гетероструктур в широком диапазоне токов возбуждения и интенсивности люминесценции.

2. Расчет и анализ энергетических диаграмм р-n- гетероструктур на основе соединений InxGaixN и AlyGaiyN в зависимости от состава (х, у) и толщины слоев.

3. Расчет уровней размерного квантования в слоях GaN и InxGai-xN с толщиной порядка 20-40 А для определения эффективной ширины запрещенной зоны в излучающей области гетероструктуры.

4. Анализ и учет влияния микро- и макроскопических флуктуаций содержания In, шероховатости гетерограниц, случайного поля распределения примесей на спектры люминесценции гетероструктур на основе GaN.

5. Количественное описание формы спектров электролюминесценции СД на основе GaN, выбор и анализ параметров этого описания.

1.3. Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

Создан спектральный измерительный комплекс, позволяющий исследовать люминесцентные и электрические свойства светодиодов на основе нитрида галлия широком динамическом диапазоне токов возбуждения (от 10" А до 10'2 А) и интенсивностей излучения (10 порядков) с высоким разрешением (до

0.1 А).

Исследованы люминесцентные характеристики широкого круга образцов, установлены основные физические процессы, протекающие в изученных структурах.

Проведен численный расчет энергетической диаграммы гетероструктур и основных физических параметров активной области (уровней размерного квантования, эффективной ширины запрещенной зоны и величины ее флуктуаций). Результаты расчета хорошо согласуются с основными параметрами спектров и вольт-амперных характеристик диодов.

Для описания спектров люминесценции гетероструктур на основе GaN с множественными квантовыми ямами применена модель рекомбинации в двумерных структурах с хвостами плотности состояний, обусловленных флуктуациями потенциала. Полученные на основе этой модели результаты количественно согласуются с положением максимума и параметрами экспоненциального спада спектров, а также с их изменениями при изменении тока и температуры.

Впервые в спектрах люминесценции светодиодов, излучающих в зеленой области видимого спектра, наблюдалась полоса туннельной излучательной рекомбинации.

1.4. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Созданный измерительный комплекс позволяет исследовать люминесцентные и электрические свойства светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами в динамическом диапазоне токов возбуждения от 10"7 А до 10"2 А и интенсивностей излучения до 10 порядков.

2. Форма спектров электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами описывается моделью излучательной рекомбинации в хвостах двумерной плотности состояний. Параметры этой модели: эффективная ширины запрещенной зоны в активной области структур Eg* и флуктуации ее величины Ео, положение квазиуровня Ферми для дырок ДРр, параметр распределения дефицита энергии между электроном и дыркой т, температура в активной области гетероструктуры Ei = mkT.

3. Величина параметра экспоненциального спада 1~ехр(Й<в/Ео) длинноволнового хвоста спектра определяется флуктуациями эффективной ширины запрещенной зоны Ео = 55 - 60 мэВ для зеленых и Ео = 50 - 55 мэВ для голубых СД.

Показатель экспоненты коротковолнового спада 1~ехр(-Йсо/Е)) зависит от температуры активной области СД: Ei = шкТ, m = 1.25+1.55.

4. Впервые в области малых токов <0.1 мА в спектрах СД с максимумом в зеленой области видимого спектра обнаружен дополнительный длинноволновый максимум 1.92+2.02 эВ, соответствующий туннельному излучению. При этом положение максимума Йсотах туннельной полосы соответствует напряжению на гетеропереходе U: hcomax = eU.

5. В спектрах зеленых СД обнаружена высокоэнергичная полоса с максимумом 2.7 эВ, обусловленная излучением из неоднородностей структуры.

6. Полосы спектров электролюминесценции соответствуют участкам вольт-амперных характеристик: ниже напряжения «1.9 В работает механизм туннельной излучательной рекомбинации, этот участок соответствует туннельной спектральной полосе; выше напряжения 1.9 В включается инжекционный механизм, он соответствует основной спектральной полосе.

7. Интенсивность излучения в основной полосе и КПД были тем выше, чем больше была концентрация нескомпенсированных акцепторов в р-области. В распределении заряженных центров в гетероструктурах имеется слой толщиной 50+220 нм, в котором акцепторы компенсированы. Туннельная полоса зарегистрирована в спектрах структур с минимальной толщиной компенсированного слоя 50+120 нм.

8. Максимум эффективности излучения в зависимости от тока достигается при переходе туннельного механизма протекания тока в инжекционный.

1.5. Научная и практическая ценность.

Результаты исследований позволили определить основные механизмы, протекающие в гетероструктурах на основе GaN с множественными квантовыми ямами. Показано, что основная полоса в спектрах излучения светодиодов определяется механизмом излучательной рекомбинации в двумерных структурах с хвостами плотности состояний, обусловленными флуктуациями потенциала. Показано, что механизм туннельной излучательной рекомбинации проявляется при малых токах и больших электрических полях не только в структурах с малым содержанием In в активных слоях InGaN (светодиоды синего диапазона видимого света), но и с большим содержанием In (светодиоды зеленого диапазона видимого спектра).

Результаты исследований позволяют объяснить характеристики и поведение практически используемых полупроводниковых приборов светодиодов, а также позволяют прогнозировать свойства вновь разрабатываемых приборов. Показано, что максимум квантового выхода излучения достигается, когда инжекционный механизм протекания тока через гетероструктуру с квантовыми ямами начинает преобладать над туннельным механизмом. Это определяет практическую ценность работы.

1.6. Достоверность результатов обеспечена комплексным характером исследований как спектров люминесценции, так и электрических свойств светодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическими расчетами. Часть результатов подтверждена результатами других исследовательских групп, приведенными в цитируемой литературе.

1.7. Апробация работы.

Результаты диссертационной работы доложены на 5 Российских и 7 Международных научных конференциях и обсуждались на семинарах кафедры физики полупроводников, кафедры оптики и спектроскопии, кафедры физики низких температур физического факультета МГУ:

- 2-е, 3-е и 4-е Всероссийские совещания Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы, С.-Петербург и Москва, 1998,1999 и 2000 гг.

- Международная Конференция «Оптика полупроводников», Ульяновск, 1998 г.

- IV Российская конференция по физике полупроводников, Новосибирск, 1999г.

- III Городская научная конференция молодых ученых по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, С.-Петербург, 1999 г.

- The Third European GaN Workshop (EGW-3), Warsaw, 1998.

- Intern. Confer, on the Phys.of Semiconductors (ICPS-24), Jerusalem, 1998.

- 3 International Conference on Nitride Semiconductor, Montpellier, France, 1999.

- Materials Research Society Fall Meeting '99, Boston, Massachusetts, 1999.

- The Fourth European GaN Workshop (EGW-4), Nottingham, 2000.

- The Fourth International Conference on Notride Semiconductors (ICNS-4), Denver, Colorado USA, 2001.

1.8. Публикации.

Основные результаты диссертационной работы, вошедшие в автореферат, опубликованы в 11 статьях в журналах [1.4-1.14]. Кроме того, автор диссертации является соавтором результатов, опубликованных в 8 статьях [1.15-1.22] и тезисах докладов, предшествовавших диссертации и не вошедших в автореферат.

2. Литературный обзор.

2.1. GaN и близкие к нему соединения.

2.1.1. Фундаментальные свойства GaN.

Несмотря на большое количество работ по исследованию нитрида галлия и близких к нему соединений и твердых растворов, данные по фундаментальным свойствам GaN, таким как параметры кристаллической решетки, зонной структуры, основных оптических переходов, в литературе сильно различаются [1.2, 2.1]. Еще сильнее расходятся данные о разрывах зон на гетерограницах, по описанию зонной структуры методом эффективных масс, положению донорных и акцепторных уровней.

GaN и сопутствующие соединения могут кристаллизоваться как в структуру типа цинковой обманки, так и в структуру типа вюрцита [1.2]. При сверхвысоких давлениях GaN может кристаллизоваться в структуру каменной соли (типа NaCl) [2.1]. Вюрцитная структура более распространена и она , в основном, используется в приложениях. Связи с ближайшими соседями у атомов Al, Ga, In и N - тетраэдрические. Решетка Бравэ - вюрцитной структуры, гексагональная; ось, перпендикулярная шестиугольникам, обычно обозначается как с-ось; постоянные решетки вдоль двух других осей в вюрцитном GaN равны: а = Ь. Пространственная группа вюрцитной структуры C46v (Рбзтс). Постоянные решетки нитридов приведены в таблице 2.1.

Зонная структура нитридов схожа с зонной структурой других AmBv соединений. GaN - прямозонный полупроводник, и межзонные оптические переходы идут вблизи края запрещенной зоны в точке Г, к = 0. Состояния в зоне проводимости с симметрией Г7 имеют s-характер. Существуют, однако, важные отличия нитридов.

Таблица 2.1. Постоянные решетки (а,с) для AIN, GaN, InN и сапфира [2.1, 2.2].

A1N GaN InN sapphire а, А 3.111 3.189 3.544 4. с, А 4.978 5.185 5.718 12. коэффициент 5.3 5.59 7. термического расширения || а, Ю^/К коэффициент 4.2 7.75 8. термического расширения || с, 10^/К

Кристаллическое поле и спин-орбитальное взаимодействие полностью снимают вырождение валентной зоны - дырки в расщепленных подзонах назывыаются А-, В- и С-дырками. Расщепление подзон составляет около 6 мэВ и 37 мэВ. Ширина запрещенной зоны вюрцитного a-GaN в Г- точке по данным различных измерений (спектроскопическая эллипсометрия, фотоотражение, фотолюминесценция, катодолюминесценция) и расчетов составляет при комнатной температуре от 3.20 до 3.45 эВ, этот разброс зависит, главным образом, от различных деформаций образцов GaN [2.1].

Аппроксимация метода эффективных масс ограниченно применима к валентной зоне нитрида галлия в связи с высокой непараболличностью. В узкой области вблизи к=0 ветви валентной зоны описываются эффективными массами niAz = 1.51 mo, Шд-l = 0.275 mo, mBz = 0.97 mo, mB-i- = 0.29 mo, mcz = 0.17 mo, mc-L = 1.1 mo, где mo - масса свободного электрона. Зона проводимости хорошо описывается эффективной массой Ше = (0.20±0.01j mo [2.2]. Аппроксимация зонной структуры методом эффективных масс приведена на Рис.2.1. k„. 106cm"1 kL, 106 cm"

Рис.2.1. Аппроксимация зонной структуры GaN параболическими законами методом эффективных масс.

Температурная зависимость ширины запрещенной зоны GaN хорошо описывается формулой Варшни [2.2]:

Eg(T) = Eg((2.1)

Параметры Eg(0) - ширина запрещенной зоны при нулевой температуре, ос и Р находятся в экспериментах по электроотражению, фотоотражению, оптическому поглощению [2.2] и также весьма разноречивы в литературе. Зависимость Eg(T) нитрида галлия изображена на Рис.2.2 с параметрами Е(0)=3.484 эВ, а=12.8 10"4 эВ/К, Р=1190 К. temperature, К

Рис.2.2. Зависимость ширины запрещенной зоны GaN от температуры [2.2]. energy ha>, eV

Рис.2.3. Дисперсия коэффициента преломления GaN.

Коэффициент преломления нитрида галлия составляет п = 2.53 в области прозрачности (Йоз = 3 eV) и имеет прямую дисперсию [2.3] (Рис.2.3): с параметрами а=4.93, р=0.0113, у=4.00 эВ.

2.1.2. Свойства тройных твердых растворов нитридов.

Используя тройные твердые растворы LnxGai-xN и AlyGaiyN, можно получить полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1.9 до 6.2 эВ. Это важно для использования нитридов в приложениях. Для светодиодов и полупроводниковых лазеров зеленого и синего диапазона разумно использовать в качестве активной области InxGaixN с содержанием индия х от 0.05 до 0.4. Несмотря на то, что многие технологические группы получают пленки InxGaixN высокого качества, основные свойства тройных соединений изучены в значительно меньшей степени, чем свойства самого GaN.

Ширину запрещенной зоны InxGaixN обычно опиывают выражением Eg(InGaN) = X Eg(inN) + (1 -х) Eg(GaN) " b(i„) X (1 -х), (2.2) где Eg(inN) = 1-95 эВ - ширина запрещенной зоны InN, Её(оаы) = 3.4 эВ -ширина запрещенной зоны GaN, х - содержание индия, ЬрП) - параметр параболического прогиба. Зависимость Eg(i„GaN)(x) в нитридах сильно нелинейна, значения параметра b(jn) в литературе значительно различаются. В [1.2] этот параметр получался из измерений фотолюминесцентных спектров пленок InxGai. XN, легированных Cd сразличным составом х. Результатом аппроксимации было значение b(in> = 1.0 эВ, которое используют многие авторы. Однако, в этих измерениях использовались пленки с х = 0.05 - 0.2, когда основную роль играет линейный участок Eg(x). В более поздних работах [2.4, 2.5] авторы исходят из значений Ьпп) = 2.8 - 3.2 эВ, что согласуется с их расчетами и экспериментальными данными, однако дает значительно более сильное искривление Eg(x). Зависимость Eg(x) для параметра b(in) = 3.0 эВ изображено на Рис.2.4.

In contain х

Рис.2.4. Ширина запрещенной зоны тройного раствора InxGai.xN в зависимости от состава х.

Аналогичное выражение можно записать для ширины запрещенной зоны AlyGaj-yN:

Eg(AIGaN) = У Eg(AlN) + (1"У) Eg(GaN) " Ь(А1) X (1-у) (2.3) где Es(ain) = 6.22 эВ, Eg(GaN) = 3.4 эВ. Для параметра параболического прогиба в последнее время [2.6] получено достоверное значение Ь(Л|) = 0.8 эВ.

Для параметров кристаллической решетки используют, как правило [2.4] линейный закон Вегарда: где a^inGaN) - постоянная решетки соединения, a<inN) и a(GaN) - постоянные решетки InN и GaN, соответственно.

Эффективные массы электронов и дырок в тройных растворах рассчитывают по правилу Кейна [1.2]: где ni(inGaN) и rri(GaN) - массы соответствующих электрона или дыркм в соединениях: InGaN и GaN.

2.2. Технологии роста структур на основе GaN.

Температура плавления GaN составляет приблизительно 1700 °С, поэтому рост кристалла из жидкого расплава затруднен, и для роста GaN используют эпитаксиальные методы [1.2, 2.1]. В настоящее время используется два основных метода - молекулярно-лучевая эпитаксия (в английской транскрипции МВЕ -molecular beam epitaxy) и осаждение продуктов химических реакций металорганических соединений (MOCVD - metalorganic chemical vapor deposition).

МВЕ метод [1.2] - весьма дорогостоящий и медленный - скорости роста составляют примерно 0.1 мкм/час (1-3 монослоя в секунду). Кроме того, так как в качестве источника азота используется N2, а молекула азота инертна до температур 950 °С, это также затрудняет технологию, так как МВЕ рост GaN протекает при температурах 650-800 °С. Для получения атомарного азота разработаны методики ECR-MBE (electron cyclotron resonance microwave) и RF-MBE (radio-frequency) - плазма высокоэнергетичных ионов азота образуется электронным циклотронным резонансом или радиочастотными микроволнами. a<InGaN) - X a<inN) + (1-х) a^GaN) ni(inGaN/nT(GaN) ~ Eg(inGaN)/Eg(GaN),

МВЕ система - это система осаждения молекулярных пучков в ультравысоком вакууме. Поэтому этот метод совместим с широким диапазоном вакуумных методик контроля - дифракция электронов высоких энергий (RHEED), квадрупольная масс-спектрометрия для анализа газов, электронная !Оже-спектрометрия. Источниками элементов Ga, А1 и In для роста являются твердые вещества Ga, А1 и In. Они нагреваются в печках или ячейках Кнудсена, и прямые пучки атомов или молекул конденсируются на нагретую монокристаллическую подложку, где они взаимодействуют. Для р- и n-легирования используют элементы Mg и Si, соответственно, также испаряемые из ячеек Кнудсена. Большим плюсом методики МВЕ является то, что получаемые пленки имеют высокую электронную (1018-1019 см"3) или дырочную (1017-1018 см"3) концентрации при хорошей холловской подвижности сразу после роста.

MOCVD метод [1.2, 2.16] позволяет получать эпитаксиальные пленки высокого качества в промышленных масштабах. Реакция протекает в атмосфере азота Поток реагирующих газов подается параллельно растущей пленке. В качестве источника азота применяется аммиак NH3, а в качестве источников элементов III группы - триметил-галлий, -аллюминий и -индий. Рост пленки GaN происходит при температуре 1000 °С. В последнее время схема MOCVD была усовершенствована внесением дополнительного потока N2+H2 перпендикулярно подножке, благодаря которому достигается двумерный рост пленки (а не островковый) [1.2].

Для контроля процесса роста используют интерференцию луча инфракрасного лазера (длина волны а=0.96 мкм) в растущей пленке. По показаниям инфракрасного термометра можно судить о скорости роста пленки -за временной интервал между двумя максимумами осцилляций интенсивности отраженного луча толщина пленки увеличивается на АУ2п, где п - показатель преломления (п=2.33 - 2.67 для GaN) [1.2].

Практика показала, что высокие концентрации носителей и холловскую подвижность можно получить, предваряя рост пленки буферным слоем A1N или GaN. Рост буфера происходит при температурах ниже, чем рост самой пленки -450 - 600 °С. Наилучшей морфологии поверхности удается добиться при толщине буферного слоя 200 - 300 А [1.2], при этом холловская подвижность электронов достигала значений 600 см /В с при комнатной температуре.

Для создания р-п-переходов на основе нитрида галлия необходимым является п- и р-легирование. Активные доноры в GaN - Si или Ge в узлах Ga; для создания n-GaN в процессе роста в смесь газов добавляют силан SiH4 (или GeH^. Уровень легирования определяется, как правило, компромисом между максимальной концентрацией носителей и структурным совершенством пленки.

Основная проблема создания р-п-перехода - создание р-области. Для легирования применяют Mg (или ранее - Zn), для этого в процессе роста добавляют поток бициклопентадиэнила магния (Cp2Mg). Но, так как GaN содержит до 1018 см"3 мелких доноров - вакансий азота, то выращенный p-GaN получается сильно компенсированным, имеет высокое удельное сопротивление (порядка 106 Ом см). Для улучшения характеристик p-GaN применяется «лечение» облучением пучком низкоэнергетичных электронов (LEEBI) или отжиг. Эффект «лечения» p-GaN пленки, легированной Zn, наблюдали впервые в 1983 г. Сапарин и др [1.4-1.5] при катодолюминесценции. В 1989 г. Амано и др. [1.2] предложили использовать пучок низкоэнергетичных электронов для «лечения» p-GaN. С той же целью в 1992 г. Ш.Накамура предложил использовать отжиг. После нагрева до 700 - 900 °С пленка резко уменьшала свое сопротивление до 2 Ом см и показьшала концентрацию дырок до 3 10" и холловскую подвижность 102/В «Лечение» объясняетсяудующими процессами. Во-первых, атомы Mg в процессе облучения или отжига занимают положенные им места в узлах Ga, где они являются акцепторными ионами Mg". Во-вторых, при этом происходит активация ионов Mg", которые в процессе роста были пассивированы атомами водородасозданием комплексов Mg-H. Облучение или отжиг разрывает эти комплексы и водород выводится из пленки, оставляя активные акцепторные ионы Mg".

В качестве подложки [2.1] для роста нитридных структур используют кристаллы различной симметрии и с различным несоответствием постоянной решетки - гексагональный сапфир AI2O3, вюрцитные GaN, A1N, InN, ZnO, 6H-SiC, кубические GaN, 3C-SiC, GaAs, InP, MgO, шпинели MgAlCh, LiAlCh, тетраэдрический ScMgAKV

2.3. Гетероструктуры AIGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами.

7. Выводы

7.1. Создан измерительный комплекс, позволяющий исследовать люминесцентные и электрические свойства светодиодов (СД) на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами (МКЯ) в

7 2 широком динамическом диапазоне токов возбуждения (от 10" А до 10" А) и интенсивностей излучения (10 порядков). Исследованы характеристики широкого круга образцов, установлены основные физические процессы, протекающие в изученных структурах.

7.2. В спектрах электролюминесценции СД при комнатных температурах зарегистрированы основная (инжекционная) и туннельная спектральные полосы.

Максимум основной полосы лежит в диапазоне 2.2^2.5 эВ для СД, излучающих в зеленой и 2.5^2.7 эВ - в синей областях видимого спектра. В области высоких токов возбуждения 1-И0 мА максимум основной полосы смещается в коротковолновую область при увеличении тока - «движущаяся» полоса. В области токов 0.14-1 мА положение максимума основной полосы неизменно при изменении тока - «неподвижная» полоса. Основная спектральная полоса имеет экспоненциальные спады с коротковолновой 1~ехр(-йсо/Е i) и длинноволновой 1~ехр(Йсо/Ео) сторон. Параметры в знаменателе показателя экспоненты составляют на длинноволновом спаде Ео = 55 - 60 мэВ для зеленых и Ео = 50 - 55 мэВ для голубых СД. Показатель экспоненты коротковолнового спада зависит от температуры активной области СД: Ei = mkT, m = 1.254-1.55.

Впервые в области малых токов <0.1 мА в спектрах СД с максимумом в зеленой области видимого спектра обнаружен дополнительный длинноволновый максимум 1.924-2.02 эВ, соответствующий туннельному излучению (ранее туннельное излучение в нитридных структурах наблюдалось только для синих СД с одиночными квантовыми ямами в области 2.2-2.4 эВ). При этом положение максимума Йсотах туннельной полосы соответствует напряжению на гетеропереходе U: ЙЮтах = eU.

В спектрах зеленых СД обнаружена высокоэнергетичная полоса с максимумом 2.7 эВ, обусловленная излучением из неоднородностей структуры.

7.3. В вольт-амперных характеристиках (ВАХ) обнаружены 4 характерные области. Ниже напряжения «1 В работает механизм туннельной безызлучательной рекомбинации, от 1 В до «1.9 В - механизм туннельной излучательной рекомбинации, этот участок соответствует туннельной спектральной полосе. Выше напряжения 1.9 В включается инжекционный механизм, он соответствует основной спектральной полосе. Выше «2.5 В существенную роль играет последовательное сопротивление диода, максимум спектральной полосы при этом движется в коротковолновую сторону.

Обнаружено, что интенсивность излучения в основной полосе и КПД были тем выше, чем больше была концентрация нескомпенсированных акцепторов в р-области. В распределении заряженных центров в гетероструктурах имеется слой толщиной 50-4-220 нм, в котором акцепторы компенсированы. Туннельная полоса зарегистрирована в спектрах структур с минимальной толщиной компенсированного слоя 50ч-120 нм.

7.4. В рамках модели идеального резкого гетероперехода рассчитана энергетическая диаграмма гетероструктур. Определенны значения эффективной ширины запрещенной зоны в активной области структур Eg* и флуктуаций ее величины. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными характеристиками СД: положением максимума йсотах, формой спектров, положением областей ВАХ.

7.5. Использование модели эффективной двумерной комбинированной плотности состояний для описания формы спектров электролюминесценции СД позволило определить основные параметры структур: эффективную ширину запрещенной зоны Eg* и величину ее флуктуаций Ео, положение квазиуровня Ферми для дырок AFP, изменения температуры в активной области гетероструктуры Ei— шкТ.

7.6. Установлена зависимость КПД СД от тока. Максимум КПД достигается при переходе туннельного механизма протекания тока в инжекционный.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю проф. А.Э.Юновичу за предоставленную возможность работать над темой, постоянное внимание и теплое отношение. Автор благодарит своих коллег по работе С.С.Мамакина и АН.Туркина за постоянную помощь и поддержку и коллег из МИСиС Ф.И.Маняхина и А.Н.Ковалева за плодотворное сотрудничество и обсуждение работы. Автор благодарит проф.В.С.Днепровского за обсуждение работы и весь коллектив кафедры физики полупроводников физического факультета МГУ за помощь в работе и учебе. Также автор выражает благодарность М.Кампу, М.Койке и П.Мартину, предоставившим образцы для исследований.

1.1. Г.ВЛирман, Г.С.Жданов, ЖЭТФ, 6, с.1201-1204 (1936).

2. S.Nakamura, G.Fasol. The Blue Laser Diode. Springer, Berlin, 1999, 343 p.

3. И.Ф.Четверикова, А.П.Храмцов, М.В.Чукичев. Оптические свойства Нитрида Галлия. (Обзор). Материалы для электронной техники, 1983-84.

4. Saparin G.V., S.K.Obyden, M.V.Chukichev, S.I.Popov, "Cathodoluminescence contrast of direct writing patterns in the scanning electron microscope", Journ. of Luminescence, 1984, v.31-32, pp.684-686 (in English).

5. Г.В.Перловский, С.К.Обыден, Г.В.Сапарин. Температурная релаксация электронно-стимулированной катодолюминесценции в GaN:Zn. Вестник Московского Университета, сер. 3 (физика и астрономия), 1984, т.25 №3, сс.21-26. Результаты работы вошли в публикации:

6. A.N.Turkin, V.E.Kudryashov, A.E.Yunovich. A model of electroluminescence in InGaN/AlGaN/GaN heterostructures with quantum wells. Intern. Confer, on the Phys. of Semiconductors (ICPS-24), Jerusalem, 1998, B-0662.

7. V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, A.N.Kovalev, F.I.Manyakhin. Electroluminescence properties of InGaN/AlGaN light emitting diodes with multiple quantum wells. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.537, 1999.

8. A.E.Yunovich, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.N.Kovalev, F.I.Manyakhin. The emission properties light emitting diodes using of InGaN/AlGaN multiple quantum wells. Mat. Res. Soc. Internet J. Nitride Semicond. Res., 3, 44, 1999.

9. A.E.Yunovich, V.E.Kudryashov, S.S.Mamakin, A.N.Turkin, A.N.Kovalev, F.I.Manyakhin. Spectra and Quantum Efficiency of Light-Emitting Diodes Based on GaN Heterostructures with Quantum Wells. Physica Status Solidi (a) 176, 125 (1999).

10. V.E.Kudryashov, S.S.Mamakin, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, A.N. Kovalev, F.I. Manyakhin. Dependence of aging on the inhomogeneties in InGaN/AlGaN/GaN light-emitting diodes. MRS Intern. Journ.of Nitride Semic. Res., 5S1, W11.25 (2000).

11. В.Е.Кудряшов, С.С.Мамакин, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович, А.Н.Ковалев, Ф.И.Маняхин. Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами на основе гетероструктур из GaN зависимость от тока и напряжения . ФТП, 34 (7), с.861-868 (2001).

12. Диссертационной работе предшествовал цикл работ по исследованию СД на основе GaN с одиночными квантовыми ямами:

13. K.G.Zolina, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, S.Nakamura. Luminescense Spectra of Superbright Blue and Green InGaN/AlGaN/GaN Light-Emitting Diodes. MRS Internet Journ. of Nitride Semiconductor Research, 1/11.

14. V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, KG.Zolina, S.Nakamura. Spectra of Superbright Blue and Green InGaN/AlGaN/GaN Light Emitting Diodes. Journ. of the European Ceramic Society, 17 (1997) 2033-2037.

15. К.Г.Золина, В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами. Физ. и Тех. Полупроводников, 1997, т.31, N9, с. 1055-1061.

16. K.G.Zolina, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin and A.E.Yunovich. Luminescence spectra of blue and green light-emitting diodes based on multilayer InGaN/AlGaN/GaN heterostructures with quantum wells. Semiconductors 31(9), September 1997, pp 901907.

17. A.E.Yunovich, A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, F.I.Manyachin, A.N.Turkin, K.G.Zolina. Tunnel effects in luminescence spectra of InGaN/AlGaN/GaN light-emitting diodes. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.449,1997, p.l 167-1172.

18. В.Е.Кудряшов, К.Г.Золина, А.Н.Ковалев, Ф.И.Маняхин, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович. Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами. Физ. и Тех. Полупроводников, 1997, т.31, N11, с 1304-1309.

19. V.E.Kudryashov, K.G.Zolina, A.N.Kovalev, F.I.Manyachin, A.N.Turkin, A.E.Yunovich. Tunneling effects in light-emitting diodes based on InGaN/AlGaN/GaN heterostructures with quantum wells. Semiconductors, 1997, v.31 (11), pp.1123-1127.

20. F.I.Manyakhin, A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich. Avalanche breakdown luminescence of InGaN/AlGaN/GaN. MRS Intern. Journ.of Nitride Semic. Res., 2/11.

21. Ф.И.Маняхин, А.Н.Ковалев, В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович. Электролюминесценция гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN при ионизациионном пробое. Физ. и Тех. Полупроводников, 1998, т.32, N 1, с. 63-67.

22. A.N.Kovalev, F.I.Manyakhin, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich. Impact ionization luminescence of InGaN/AlGaN/GaN heterostructures. Semiconductors, Jan. 1998, v. 32 (1), pp.54-57.

23. A.E.Yunovich, A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, F.I.Manyakhin, A.N.Turkin. Aging of InGaN/AlGaN/GaN Light-Emitting Diodes. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.482, 1998, p. 1041-1047.

24. Литература к главе 2. Литературный обзор.

25. B.Gil. Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications. Clarendod Press, Oxford, 1998, 459 p.

26. C.F.Li, Y.S.Huang, L.Malikova, F.H.Pollak. Temperature dependence of the energies and broadening parameters of the interband excitonic transitions in wurtzite GaN. Physical Review B, Volume 55, Number 15, 1997.

27. A.Billeb, W.Grieshaber, D.Stocker, E.F.Schubert, R.F.Karlicek, Jr. "Microcavity effects in GaN epitaxial films and in Ag/GaN/sapphire structures". Appl.Phys.Lett., 70 (21), 2790, 1997.

28. T.Takeuchi, S.Sota, M.Katsuragawa, M.Komori, H.Takeuchi, H.Amano, I.Akasaki. Quantum-Confined Stark Effect due to Piezoelectric Fields in GalnN Strained Quantum Wells. JpnJ.Appl.Phys.Vol.36 (1997) pp.L382-L385.

29. А.В.Сахаров. Оптические свойства слоев и гетероструктур на основе нитридов III группы. Кандидатская диссертация, ФТИ им.А.Ф.Иоффе, С.Петербург, 2000 г.

30. S.-H.Wei, A.Zunger. Calculated natural band offsets of all II-VI and III-V semiconductors: Chemical trends and the role of cation d orbitals. Applied Physics Letters, Vol.72, N16 (1998) pp.2011-2013.

31. F.Bernardini, V.Fiorentini. Macrosopic polarization and band offsets at nitride heterojunctions. Physical Review B, Vol.57, N 16 (1998) pp.R9427-R9430.

32. Jin Seo Im, H.Kollmer, O.Gfrorer, J.Off. F.Scholz, A.Hangleiter. Piezoelecric field effect on optical properties of GaN/GalnN/AlGaN quantum wells. MRS Internet J. Nitride Semicond.Res. 4S1, G6.20 (1999).

33. S.Chichibu, T.Deguchi, T.Sota, K.Wada, S.Nakamura. Localized exitons in InGaN. Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.482 (1998), pp.613-624.

34. P.G.Eliseev, P.Perlin, J.Lee, M.Osinski. "Blue" temperature-induced shift and band-tail emission in InGaN-based light sources. Appl.Phys.Lett. 71 (5), 1997, pp.569571.

35. P.Perlin, V.Iota, B.A.Weinstein, P.Wisniewski, T.Suski, P.G.Eliseev, M.Osinski. Influence of pressure on photoluminescence and electroluminescence in GaN/InGaN/AlGaN quantum wells. Appl.Phys.Lett. 70 (22) 1997, pp.2993-2995.

36. R.Chingolani, W.Stolz, K.Ploog. Phys.Rev.B 40 (1989), p.2950.

37. Б.Р.Варданян, А.Э.Юнович. Физика и Техника Полупроводников, 29 (1995),

38. Литература к главе 3. Модель двумерной комбинированной плотности состояний.

39. М.Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. Изд. «Мир», 1989.

40. В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников. Физика полупроводников. Москва, «Наука», 1990.

41. А.Н.Леванюк, В.В.Осипов. Успехи Физических Наук, т.133, с.427, 1981.

42. И.В.Кавецкая, Н.Б.Кахраманов, Н.Н.Сибельдин, В.А.Цветков. Крупномасштабный примесный потенциал и природа основной линии низкотемпературной люминесценции чистых кристаллов n-InSb. ЖЭТФ, т. 100, вып.6(12), сс.2053-2067, 1991.

43. Литература к главе 5. Экспериментальные результаты.

44. Литература к главе 6. Обсуждение результатов.

45. L.Echey, AHofinanet al. Mat.Res.Soc.Symp.Proc., 482, 1998, p.555.c.1976.4 . /