Молекулярно-пучковая эпитаксия нитридов металлов для светодиодов ультрафиолетового диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

правах рукописи

□0344 < <

БОРИСОВ Борис Александрович

Молекулярно-пучковая эпитаксия нитридов металлов для светодиодов ультрафиолетового диапазона

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

0 2 2000

Санкт-Петербург - 2008

003447720

Работа выполнена на кафедре физической электроники ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

Кораблев Вадим Васильевич,(СПбГПУ)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Сидоров Валерий Георгиевич, (СПбГПУ)

кандидат физико-математических наук

Филаретов Алексей Гелиевич

(ОАО «Светлана», ЗАО «Светлана - Рост»)

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

РАН

Защита состоится 23 октября 2008 года в 18 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург,

ул. Политехническая 29, корп.2, ауд.470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан 12 сентября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д-р техн. наук, профессор /у ~ ^ Коротков A.C.

с/1'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ш-иитриды, включающие три двойных соединения семейства AIN, GaN, InN и их сплавы, в настоящее время считаются одними из наиболее перспективных материалов для разработки новых типов оптоэлектронных устройств, работающих в широком диапазоне длин волн от видимой до дальней УФ областей спектра (вплоть до Я,=200 им), а также мощных СВЧ приборов, способных функционировать в агрессивных средах и при высоких температурах.

Несмотря на достигнутый в последние годы значительный технологический прогресс в разработке и создании эффективных светодиодов и лазерных диодов, излучающих в сине-зеленой и ближней УФ области, эффективность излучения в дальней УФ области спектра (Я<300 им) остается очень низкой. Однако потребность в таких светоизлучающих приборах чрезвычайно высока. К основным областям их применения можно отнести: эффективные источники белого света, устройства оптической записи информации повышенной плотности, приборы для микроанализа состава биологических сред и т. д.

Ключевой проблемой при получении высококачественных пленок III-нитридов является отсутствие подходящих подложек, имеющих соответствующие параметры кристаллической решетки и коэффициент теплового расширения. Начальная стадия роста, на которой происходит «согласование» кристаллических решеток подложки и пленки, в этом случае оказывает решающее влияние на структурные, электрические и оптические свойства получаемых полупроводниковых слоев и гетероструктур.

Другим важным аспектом при создании светоизлучающих приборов является получение слоев AlGaN п- и р-типа проводимости с высоким уровнем легирования. Однако легирование широкозонных полупроводников обычно представляет собой довольно непростую задачу. Один из путей преодоления этой трудности лежит в использовании короткопериодных сверхрешеток (КПСР). Рост, оптические и электрические свойства КПСР, имеющих A1N в барьере, и возможность их использования в светодиодах в настоящее время остаются практически не изученными.

Повышение эффективности излучения требует использования в активной области светодиода квантово-размерных структур - квантовых ям и точек. Если свойства квантовых ям AlGaN уже довольно хорошо изучены, то в литературе совершенно отсутствует информация о получении и свойствах квантовых точек AlGaN.

В настоящее время эпитаксиальные слои Ш-нитридов получают в основном методами газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОСГЭ) и молекуляно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Несомненно, МПЭ является одним из наиболее перспективных методов получения полупроводниковых структур с толщинами слоев, находящимися на атомном уровне. К достоинствам этого метода относятся: возможность получения монокристаллов высокой чистоты (за счет проведения ростового

процесса в сверхвысоком вакууме); возможность выращивания сверхтонких слоев с резкими изменениями состава на границах (за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии компонент, и практически мгновенного прерывания молекулярных потоков, поступающих на подложку); прецизионный контроль толщин слоев на атомарном уровне (за счет высокой скорости управления потоками и относительно малых скоростей роста); высокая однородность состава и уровня легирования вдоль поверхности структуры; in-situ диагностика роста при помощи отражательной дифракции быстрых электронов (ОДБЭ) и др.

Таким образом, разработка технологии получения УФ светодиодов на основе III-нитридов методом МПЭ является весьма актуальной.

Цель работы заключается в разработке технологии получения светодиодов (СД), излучающих в ультрафиолетовой области 250-350 им, на основе III-нитридов методом МПЭ с аммиаком. Для этого необходимо решить следующие задачи:

- исследовать эпитаксиальный рост GaN, AIN и AlGaN и получить слои высокого кристаллического качества;

- исследовать легирование слоев AlxGa|.xN магнием и кремнием в широком диапазоне составов х;

- исследовать влияние параметров КПСР AIN/AlGaN и AlGaN/GaN на их оптические и электрические характеристики и легирование магнием и кремнием;

- найти оптимальные условия роста множественных квантовых ям (МКЯ), приводящие к возникновению квантовых точек AlGaN, и исследовать их оптические характеристики;

- разработать структуру СД с излучением в диапазоне 250-350 нм и исследовать оптические и электрические характеристики полученных

СД.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- разработан новый метод роста высокотемпературного буферного слоя A1N на кремниевых подложках на наиболее важной начальной стадии;

- определены кинетические закономерности десорбции GaN во время роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии с аммиаком;

- получены систематические данные об оптических свойствах короткопериодных сверхрешеток AIN/AlGaN в области составов по A1N 0.50-0.85;

- получены слои AlxGai.xN:Si n-типа с высоким уровнем легирования (>1019 см"3) вплоть до состава х~0.85, выращенные методом МПЭ с газовыми источниками аммиака и силана;

- исследовано вхождение магния и легирование слоев AlxGa|.xN:Mg (0< х< 0.35) р-типа, выращенных методом МПЭ с аммиаком ;

- найдены ростовые условия МКЯ, позволившие получить квантовые

точки AlGaN в матрице AlGaN, и исследованы их оптические характеристики;

- получены светодиоды, излучающие в диапазоне длин волн 250-280 нм.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенная технология может быть использована в качестве основы для разработки промышленной технологии получения светодиодов в УФ области. Основные этапы этой технологии могут быть также использованы при изготовлении фотоприемников, работающих в УФ диапазоне спектра. Результаты исследований представляют интерес при разработке технологии получения других полупроводниковых приборов на основе нитридов 111 группы (например, мощных биполярных и полевых транзисторов).

Научные положения, выносимые на защиту:

- Образование нитрида кремния, Si3N4, на поверхности кремниевой подложки до начала роста не только не препятствует, а, наоборот, способствует формированию высокотемпературного буферного слоя A1N с высоким кристаллическим совершенством. Это достигается посредством прецизионного контроля толщины Siß^ с помощью отражательной дифракции быстрых электронов (ОДБЭ) и попеременной подачей потоков алюминия и аммиака на начальной стадии роста.

- Основными факторами, определяющими десорбцию Ga в ростовых условиях, являются кинетические явления, происходящие на растущей поверхности GaN. Энергия активации десорбции Ga совпадает с энергией свободного испарения и составляет величину 3.2±0.1 эВ.

- Эффективная ширина запрещенной зоны КПСР AlN/Aloo8Gao92N с шириной ямы 0.50 и 0.75 нм может быть изменена заданным образом с шагом 140 мэВ в диапазоне 4.50 - 5.30 эВ путем изменения периода от 1.25 до 2.25 нм.

- Энергия активации допорного уровня кремния в слоях AlxGa|.xN не зависит от состава по A1N в диапазоне 0.56<х<0.85 и составляет величину ~20 мэВ. При этом максимально достижимая концентрация электронов имеет величину 1.0—2.51019 см"3.

- Использование КПСР в приборных структурах, выращенных методом МПЭ с аммиаком, позволяет создать светодиоды с излучением в УФ диапазоне 250-5-345 нм.

- Уменьшение потока аммиака во время роста ямных слоев МКЯ ниже минимально допустимого при росте объемных слоев AlxGai.xN (0.3<х<0.45) приводит к формированию вертикально упорядоченных квантовых точек AlGaN и увеличению интенсивности люминесценции на два порядка.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на следующих семинарах и конференциях: 7lh International Conference of Nitride Semiconductors (1CNS-7), Las Vegas, Nevada, USA (2007); SPIE Photonics West

Conference on Integrated Optoelectronic Devices, San Jose, CA, USA (2007); SP1E Photonics West Conference on Integrated Optoelectronic Devices, San Jose, California USA (2006); SP1E Optics/Photonics in Security & Defence Conference on Optically-Based Biological and Chemical Detection for Defence III, Stockholm, Sweden (2006); 4-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург (2005); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2005); IV Международной конференции Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures (PLMCN4), С.-Петербург, Россия (2004); TMS Electronic Materials Conference, University of Notre Dame, Notre Dame, Indiana, USA (2004); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2003); 5th International Conference on Nitride Semiconductors ICNS-5, Nara, Japan (2003); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2002); International Workshop on Nitride Semiconductors, Aachen, Germany (2002); 4th International Symposium on Blue Lasers and Light Emitting Diodes (ISBLLED-4), Cordoba, Spain (2002); TMS Electronic Materials Conference, Santa Barbara, USA (2002); The 7th Wide Bandgap Ill-Nitride Workshop, Richmond, Virginia, USA (2002); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2001); 20th North American Conference on Molecular Beam Epitaxy (NA-MBE 2001), Providence, Rhode Island, USA (2001); 4th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-4), Denver, Colorado, USA (2001); 11th EURO-MBE Workshop, Hinterzarten, Germany (2001).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 22 научных работах. Полный список приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Материалы работы изложены на 157 страницах, содержат 66 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 164 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

ПЕРВАЯ ГЛАВА носит обзорный характер. В ней приведен анализ литературных данных по

- основным свойствам и применению эпитаксиальных структур нитридов металлов третьей группы и приборов на их основе;

- различным способам получения эпитаксиальных пленок нитридов галлия, алюминия и твердых растворов на их основе.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрено аппаратурное оформление метода МГ1Э, а также основные экспериментальные методики, применявшиеся в

рамках исследований.

В первом разделе рассмотрены конструктивные особенности установки молекулярной эпитаксии ЭГ1Н-1, специально разработанной и изготовленной в ЗАО «Полупроводниковые приборы» для эпитаксиального роста III-нитридов с использованием аммиака в качестве источника элемента V группы. Контроль роста эпитаксиальной пленки in situ осуществлялся с помощью оригинально разработанного лазерного интерферометра. Автоматизированная система управления на базе персонального компьютера обеспечивала высокую надежность процесса и хорошую воспроизводимость экспериментальных результатов. Описаны основные этапы подготовки и проведения эпитаксиального процесса.

Во втором разделе рассмотрены конструктивные особенности промышленной установки молекулярной эпитаксии из газовых источников РИБЕР32. С целыо адаптации установки к росту III-нитридов и повышения надежности были заново разработаны или внесены существенные изменения практически во все основные узлы системы: нагреватель образца, эффузионные ячейки, газовую линию, электронные блоки управления и программное обеспечение. Проведен анализ возможности контроля ростового процесса с помощью яркостного пирометра. Рассмотрены особенности использования низкотемпературной магниевой эффузионной ячейки и газового источника силана для легирования слоев нитридов.

В третьем разделе рассмотрены основные методики, применявшиеся в рамках диссертационной работы для измерения параметров эпитаксиалытых слоев и гетероструктур, включая электрические, оптические и кристаллические свойства.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследования эпитаксиального роста пленок GaN, AIN и AlGaN.

В первом разделе приведены результаты исследования начальной стадии роста эпитаксиальных слоев па кремниевых и сапфировых подложках.

Основной трудностью при получении высококачественных пленок нитридов III группы является отсутствие подходящих подложек, имеющих соответствующие параметры решетки и коэффициент теплового расширения. Начальная стадия роста, на которой происходит «согласование» кристаллических решеток подложки и пленки, в этом случае оказывает решающее влияние на структурные, электрические и оптические свойства получаемых полупроводниковых слоев и гетероструктур.

Благодаря оптимизации режимов нуклеации и роста буферного слоя (температуры и скорости роста, соотношения потоков элементов III и V группы) на кремниевых и сапфировых подложках в процессе выполнения работы были получены слои и гетероструктуры на основе GaN, AIN и AlGaN с высоким кристаллическим совершенством.

Особенностью роста на кремниевых подложках в установках, использующих аммиак, является нитридизация поверхности кремния.

Установлено, что образование нитрида кремния при определенных контролируемых условиях не только не препятствует, но способствует формированию высокотемпературного буферного слоя A1N высокого качества. Оптимальная температура подложки для нуклеации роста составляет 860 °С. Рост начинается с попеременной подачи потоков А1 и NH3 на подложку. Благодаря такой процедуре происходит образование нитрида алюминия на нитридизировапной части и постепенное покрытие всей поверхности монослоем A1N. Рассмотрена возможная конфигурация связей на границе AIN/Si.

Показано, что и в случае роста на сапфировых подложках использование высокотемпературного A1N буфера позволяет получать эпитаксиальные слои высокого качества, имеющие полярность элемента III группы. На основе исследования нуклеации и роста буферного слоя A1N найдены оптимальные параметры ростового процесса. Картина дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на начальном этапе имеет трехмерный вид, что свидетельствует об образовании отдельных островков A1N на поверхности сапфира. При достижении средней толщины ~5-7 нм происходит срастание островков, выглаживание поверхности, и картииа ДБЭ приобретает двумерный характер с поверхностной реконструкцией (2Х2), которая

Рис. 1. Картина ДБЭ вдоль [1120] в процессе роста толстого слоя AIN (-400 нм).

(Г)

устойчиво наблюдается в процессе последующего роста (рис. 1). Полученные пленки характеризуются высоким структурным совершенством. Ширина (002) пика рентгеновской дифракции в режиме м-сканирования имеет величину всего ~9", что соответствует плотности винтовых дислокаций <2-103 cm 2. В режиме (20-ю)-сканирования наблюдаются четкие толщинные осцилляции. Из измерения морфологии поверхности пленки с помощью атомно-силового микроскопа сделай вывод о том, что эпитаксиальный рост пленки A1N имеет ступенчато-слоевой механизм. Среднеквадратичная шероховатость на площади 10x10 мкм" составляет величину -0.22 им. Рассмотрена возможная конфигурация связей на границе A1N/Ab03.

Второй раздел посвящен кинетике эпитаксиального роста A1N и GaN. Основными кинетическими параметрами эпитаксиального роста нитридов методом М11Э являются отношение потоков элементов 111 и V группы (I11/V) и температура роста Тх. Зависимость скорости роста v , являющейся одной

из наиболее важных характеристик эпитаксиального процесса, от отношения

III/V и 7\ позволяет оценить допустимый интервал изменения и степень влияния этих параметров на эпитаксиальный рост.

На зависимости v от отношения I1I/V можно выделить три режима

роста:

- ЫН3-лимитирующий - наблюдается уменьшение v с уменьшением потока аммиака;

- Ш-лимитирующий - постоянная v;

- вязкостный - уменьшение v в области больших потоков NH3 из-за повышенного давления в ростовой камере.

Уменьшение v с увеличением ростовой температуры GaN связано с десорбцией. Скорость десорбции GaN vd может быть записана в виде v, = v" - v, где у" - начальная скорость роста в области низких температур

при отсутствии десорбции. Наблюдаемое в эксперименте отсутствие зависимости v, от V/III (рис. 2) свидетельствует о том, что десорбция GaN в данных экспериментальных условиях не укладывается в рамки термодинамического приближения. Предложена модель, объясняющая этот факт.

н о

° 10 л

V-Ü о

g-OS

Рис. 2. Зависимости к

га

относительной скорости роста х ол GaN от температуры подложки § для различных потоков NH, s

О 0.4

X h-о

Измеренная скорость свободного испарения в вакуум хорошо совпадает с имеющимися литературными данными для GaN [1].

В третьем разделе рассмотрены оптические свойства КПСР. Использование КПСР позволяет преодолеть трудность, связанную с легированием AlGaN с большим составом по A1N, и получать высокую концентрацию дырок вплоть до эффективного состава х-0.75, что соответствует эффективной ширине запрещенной зоны ~ 5.5 эВ.

Высокое качество выращенных КПСР подтверждается ТЭМ изображениями и спектрами рентгеновской дифракции, имеющими сателитные пики.

Найдена зависимость эффективной ширины запрещенной зоны Ек КПСР от периода в диапазоне 1.25 - 2.25 нм (рис. 3). При постоянном периоде изменение толщины ямы с/„, на 1 монослой (МС) приводит к

а А «А • ■

К* #

■Л .

V/1II • 40 ■ 95 А 165

800 S50

Температура, С

Рис. 3 Зависимость эффективной ширины запрещенной зоны от периода сверхрешетки: 1- с/„=2 МС (отражение); 2- с/„=3 МС (отражение); 3- ¿4=3 МС (катодолюминесценция).

1 50 1 75 2 00 Период КПСР, нм

изменению Ея на величину 400±30 мэВ, а изменение толщины барьера на 100±20 мэВ. Изменяя только размеры ямы или барьера, можно получить промежуточные значения сдвига ЕТаким образом, возможна «точная» настройка ширины запрещенной зоны на заданное значение.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена изучению электрических и оптических свойств основных слоев, составляющих светодиод (базовых слоев n-, р-типа и активной области), по отдельности и всего светодиода в целом.

В первом разделе представлены результаты исследования легирования кремнием и магнием слоев AlGaN различного состава и КПСР. Уровень легирования базовых областей является одним из определяющих параметров мощностных характеристик светодиода.

Высокий уровень легирования слоев AlxGai_xN n-типа проводимости (концентрация электронов >1019 cm"3) был получен вплоть до состава х~0.85. При таком уровне легирования из-за сильного вырождения концентрация электронов слабо зависит от температуры. Дальнейшее увеличение состава приводит к резкому уменьшению концентрации электронов, и для чистого AIN она составляет ~Ы015 см"3. Это связано с резким возрастанием энергии активации донорного уровня кремния с 20 мэВ для х=0.85 до 265 мэВ для х=1 (рис 4). Обсуждаются возможные модели такого поведения. Наиболее близко согласуется с нашими экспериментальными данными модель, основанная на изменении диэлектрической постоянной [2].

Получение слоев p-AlGaN высокой проводимости является наиболее сложной задачей. Магний образует акцепторный уровень, имеющий энергию активации значительно большую, чем энергия активации донорного уровня кремния. В результате проведения систематических исследований легирования слоев Aloo4Gao96N: Mg был установлен ряд закономерностей.

- Концентрация введенного Mg пропорциональна потоку из эффузионной

ячейки вплоть до величины М020 см"3. Отмечаемое в ряде работ насыщение концентрации на уровне ~2 1019см"3 [3] в наших экспериментальных условиях не наблюдалось.

- Оптимальным с точки зрения легирования является диапазон

Рис. 4. Зависимость энергии активации от состава в легированном кремнием АЮаМ.

250

200-

100-

50-

/ф

...................г г ......и........!..

....................... ....................... ...................... ...,/...............

> .....................Г"

—X

—.—\—.—

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

концентрации 2-6-1019 см 3. В области концентрации больше 6-1011)см"3 концентрация дырок падает из-за сильного возрастания эффекта самокомпенсации и дефектности материала.

- Наблюдается значительное увеличение вхождения при переходе от стехиометрических условий роста У/Ш~1 к режиму обогащения аммиаком У/Ш>1. В соответствии с предложенной в [4] моделью в этом случае должно существенно уменьшаться покрытие растущей поверхностности галлием, что ведет к возрастанию эффективности встраивания

Увеличение состава А1хСа|.хЫ приводит к резкому возрастанию энергии активации уровня как показано на рис. 5. Как видно из рисунка, для х=0.1 энергия активации составляет -230 мэВ, при этом удельное сопротивление возрастает до 10 Омсм. Слои с такой проводимостью существенно ухудшают мощностные характеристики СД. Таким образом, непосредственное использование слоев А1хОакх1^ р-типа с составами х>0.1 в СД невозможно.

В качестве возможного решения проблемы получения высокого уровня легирования слоев р-типа с эффективным составом х>0.1 в [5] было предложено использовать КПСР. Среди соединений АШВ,/ нитриды имеют самые большие величины спонтанной и пьезоэлектрической поляризации, что приводит к возникновению в гетероструктурах сильных электрических

Рис. 5. Зависимость энергии активации акцепторного уровня в AlGaN от состава.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

полей, значительно изменяющих зонную диаграмму полупроводника. В результате в области ям сверхрешетки образуется двумерный газ носителей тока, эффективная концентрация которого может на порядки превышать концентрацию в AIGaN такого же состава.

В данной работе было исследовано легирование магнием и кремнием КПСР двух типов - AIN/Alo osGa0 92N (I) и Al04Ga06N/GaN (II) для получения СД с излучением в диапазонах 250-290 нм и 320-350 нм, соответственно. Однако, для использования КПСР в качестве базовых областей СД, они должны иметь не только высокую двумерную концентрацию в плоскости сверхрешетки, но обеспечивать достаточно хорошую проводимость в поперечном направлении. На основе компьютерного моделирования с помощью программы SLED фирмы «Semiconductor Technology Research, Inc.» были определены оптимальные толщины барьеров и ям, составляющих сверхрешетку, с точки зрения получения высокой концентрации электронов и дырок, хорошей проводимости в поперечном направлении и требуемой эффективной ширины запрещенной зоны. Для КПСР I оптимальными являются db=1.25 нм и dw=0.5 нм, а для КПСР II - db=5 нм и dw=2 нм. Выращенные с использованием указанных размеров сверхрешетки имели концентрацию электронов 11019 см"3 и 1 -1018 см"3 и концентрацию дырок 1-Ю18 см"3 и 5-Ю17 см"3 для типов I и II, соответственно. Из-за сильного вырождения двумерного газа все легированные КПСР как п- так и р-типа имели очень слабую температурную зависимость проводимости в интервале 100-350 К.

На основе КПСР типа I был изготовлен тестовый р-п-переход. Вольт-амперная характеристика (ВАХ), измеренная на меза-структуре диаметром 110мкм, показана на рис. 6. Напряжение отсечки, равное 5 В, находится в хорошем согласии с эффективной шириной запрещенной зоны КПСР -5.2 эВ. Очень маленький темновой ток обратно смещенного р-n перехода при малых напряжениях (~3-10"'° А/см2) свидетельствует о высоком качестве перехода и о незначительном нарушении поверхностного слоя вертикальных стенок мезы в результате травления. Ток утечки оставался меньше 100 нА вплоть до обратных напряжений -20 В. Напряжение пробоя р-n перехода превышало -90 В. Таким образом, на основе КПСР возможно изготовление

Рис 6. ВАХ тестового р-п-перехода, измеренная при комнатной температуре, для меза-структуры даметром 110 мкм На вставке показана ВАХ в диапазоне малых напряжений.

50

40

;30

20

10

0 -10

)

я /

/

8 /

. ¡ю9 /

с 001 01 Напряжение, В /

-5 0 5

Напряжение, В

р-п-перехода высокого качества.

Из температурных зависимостей прямого тока можно сделать вывод, что в поперечную проводимость КПСР р-типа в нашем случае основной вклад дает механизм термической активации дырок над барьерами сверхрешетки, а не тунелирование через них. Из ВАХ р-п-перехода была также определена анизотропия удельного сопротивления КПСР р-типа, которая получилась равной pLlpu~\Q.

Во втором разделе приведены результаты исследования оптических и электрических свойств светодиодов на основе КПСР, излучающих в диапазоне 250 - 340 нм.

На основе моделирования с помощью программ SLED проведен сравнительный анализ характеристик СД без активной области (без квантовых ям) и с активной областью двух типов. Расчеты выполнены для СД имеющего в базовых областях сверхрешетки AlN/Alon8Gao92N с размерами db=1.25 нм и dw=0.5 нм. Активная область состояла из нелегированной сверхрешетки, имеющей в первом случае такие же размеры, а во втором - толщина ямы была увеличена на 1 МС.

Расчеты показали, что наибольшей эффективностью ЭЛ должна обладать структура, имеющая в активной области уширенные ямы. Рассчитанные зонная диаграмма и распределение тока рекомбинации приведены на рис. 7а. Увеличение толщины ямы приводит к уменьшению Ef сверхрешетки. Введение узкозонной активной области, зажатой между

широкозонными базовыми слоями диода, образует классическую двойную гетероструктуру (ДГС) [6]. Как видно из рисунка, почти все инжектированные носители рекомбинируют в активной области.

Результаты компьютерного моделирования находятся в хорошем качественном согласии с полученными экспериментальными данными. Была выращена серия из четырех светодиодных структур с различными типами активной области и одинаковыми базовыми слоями, состоящими из КПСР AlN/Al00sGa0 92N с размерами db=l .25 нм и dw=0.5 нм. Активная область

3 0x10

1 О 05

2 5x10* g

5 о 800

§1000

X

J

^to

-45

- Hi

-so- e"~

-5 5- "

О

00 h-

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Расстояние, нм

250 300 350 400 450 500 550 Дги la вогны ЭЛ, нм

Рис. 7. Для светодиода на ДГС рассчитанные зонная диаграмма и распределение тока рекомбинации Зг (а) и экспериментальный спектр ЭЛ при прямом токе ^250 А/см2 (б)

состояла из 8 периодов нелегированной сверхрешетки. Изменение только ширины ям в активной области позволило получить ЭЛ в диапазоне 250-290 нм. С помощью ионно-плазменного травления изготавливалась меза-структура диаметром 160 мкм. Введение тонкой активной области не привело к заметным изменениям ВАХ диода по сравнению с гомо-переходом (рис. 6). Напряжение отсечки менялось в пределах 5-6 В, а дифференциальное сопротивление составляло 100-120 Ом. Наибольшая мощность излучения была получена в светодиоде с длиной волны 280 нм, которая составила 160 мкВт при прямом токе 250 А/см2 в импульсном режиме. Спектр ЭЛ показан на рис. 76.

Таким образом, КПСР AlN/AlooeGaiwN могут быть успешно использованы для изготовления светодиодов с Я<300 нм. Однако для того, чтобы перекрыть длинноволновый диапазон спектра 300 - 350 нм необходимо в барьерах КПСР использовать материал, имеющий запрещенную зону уже, чем A1N. Компьютерное моделирование показало, что КПСР Al04Ga06N/GaN с db=5 нм и 0.5<dw<1.5 нм позволяет получить люминесценцию в диапазоне длин волн 345 - 310 нм. Сверхрешетки такого типа имеют достаточно высокий уровень легирования п- и р-типа и могут быть использованы для изготовления светодиодов.

Серия из четырех отдельно выращенных активных областей, состоящих из 5 периодов сверхрешетки с переменной шириной ямы, подтвердила результаты компьютерных расчетов. При изменении ширины ямы 0.6-1.5 нм длина волны КЛ линейно зависит от ширины и меняется в пределах 345 - 325 нм. Наибольшую интенсивность КЛ и наименьшую ширину пика на полувысоте (всего 11 нм) имеет активная область с dw=0.75 нм.

Основываясь на результатах измерения КЛ, был изготовлен светодиод с активной областью, состоящей из 5 периодов нелегированной сверхрешетки Al04Ga06N/GaN с ¿4=0.75 нм и db=5 нм. Спектр ЭЛ, измеренный при прямом токе 10 мА и напряжении 15 В приведен на рис. 8. Пик ЭЛ с максимумом интенсивности на длине волны 335 нм имеет довольно симметричную форму и ширину на полувысоте ~12 нм. Однако, из-за того, что активная область не имела ограничения для носителей тока, интегральная мощность излучения была в несколько раз меньше, чем у

400

Рис. 8. Спектр ЭЛ светодиода на основе КПСР А10 4Gan ¿N/GaN с <4=5 нм и ¿4=0.75 нм при прямом токе 10 мА и напряжении 15 В.

300 320 340 360 380 400 Длина волны,нм

рассмотренных выше светоднодов с ограничением в активной области.

Третий раздел посвящен исследованию зависимости интенсивности люминесценции множественных квантовых ям (МКЯ) А1в jjGa045N/A]0 45Ga055N от условий роста. Несмотря на хорошие спектральные характеристики светоднодов, не удается получить высокую интегральную мощность излучения из-за низкого внешнего квантового выхода (<1%). Причина этого, главным образом, заключается в низком внутреннем квантовом выходе, обусловленном слабой эффективностью излучательной рекомбинации электрон-дырочных пар в широкозонных квантовых ямах AlGaN. Один из путей повышения эффективности излучательной рекомбинации лежит в формировании квантовых точек (КТ) в активной области светодиодной структуры

В данной работе было получено увеличение почти на два порядка интенсивности катодолюминесценции МКЯ с длиной волны -280 нм при росте ямы в режиме сильного обеднения по аммиаку, при котором не возможен рост объемного материала такого же состава. На картине дифракции быстрых электронов при этом появляется тенденция перехода к режиму трехмерного роста. Оптимальная температура роста, при которой пик KJI имеет максимальную интенсивность и минимальную ширину на полувысоте, составляет 795 °С. Этот эффект интерпретируется в терминах формирования упорядоченного ансамбля квантовых точек AlGaN. На изображении поперечного сечения области МКЯ, полученного с помощью трансмиссионного электронного микроскопа, хорошо видны темные области, указывающие на наличие сильных напряжений вокруг КТ. Характерный размер КТ в плоскости МКЯ составляет 10-15 нм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате исследования нуклеации и роста буферного слоя A1N на кремниевых и сапфировых подложках установлено, что

- образование нитрида кремния на поверхности подложки при определенных контролируемых условиях не только не препятствует, но способствует формированию высокотемпературного буферного слоя A1N высокого качества. Оптимальная температура подложки для нуклеации роста составляет 860 °С;

-найдены оптимальные параметры ростового процесса, позволяющие получать слои A1N высокого кристаллического совершенства, имеющие плотность винтовых дислокаций <2-105 cm"" и среднеквадратичную шероховатость поверхности—0.22 нм;

- использование высокотемпературного буфера A1N при росте на сапфировых подложках позволяет получать однородные слои, имеющие полярность элемента 111 группы, а отсутствие буфера приводит к формированию доменов инверсной полярности.

2. Определен характер влияния на скорость роста GaN и A1N основных

кинетических параметров - температуры и отношения потоков элементов III и V группы:

- на зависимости скорости роста от отношения III/V можно выделить три области с различным характером поведения: ЫНз-лимитирующий, III-лимитирующий и «вязкостный»;

- уменьшение скорости роста GaN с увеличением температуры связано с десорбцией;

-отсутствие зависимости скорости десорбции GaN от отношения V/III свидетельствует о том, что десорбция в данных экспериментальных условиях не укладывается в рамки термодинамического приближения.

3. Исследованы оптические и электрические свойства КПСР A1N/ Ali)()SGao 92N. Установлены следующие закономерности:

- эффективная ширина запрещенной зоны КПСР может быть плавно изменена в диапазоне 4.5-5.6 эВ с шагом 0.1 эВ при изменении периода в интервале 1.25-2.25 нм;

- в результате легирования в КПСР может быть достигнута концентрация дырок — МО18 см"3 и электронов ~1 1019 см"3;

- слабая температурная зависимость концентрации носителей тока объясняется образованием вырожденного двумерного электронного газа в ямных слоях.

4. Изготовленный на основе КПСР A1N/ Alo osGan 92N высокого качества р-п переход характеризуется следующими параметрами:

-напряжение отсечки - 5 В;

-обратное напряжение провбоя - 90 В;

-темновой ток обратно смещенного р-п перехода при малых напряжениях - 3-10"0 А/см2.

5. Исследованы оптические и электрические свойства КПСР Alo4Ga06N/GaN. Установлены следующие закономерности:

- в результате легирования в КПСР может быть достигнута концентрация дырок -5-Ю17 см"3 и электронов —1-1018 см"3;

-при постоянной толщине барьера db=5 нм изменение ширины ямы в интервале 0.6-1.5 нм вызывает линейное изменение длины волны KJ1 в пределах 345 - 325 нм.

6. Установлены закономерности легирования слоев AlxGai_xN кремнием:

-в легированных кремнием слоях возможно получение концентрации электронов >11019 см"3 вплоть до составов х=0.85;

- значительное уменьшение концентрации электронов в интервале х>0.85 объясняется резким возрастанием энергии активации донорного уровня от 40 до 265 мэВ.

7. Установлены закономерности легирования слоев Al004Ga0 9f,N магнием:

- концентрация введенного Mg пропорциональна потоку из эффузиоппой ячейки вплоть до величины 1-Ю20 см"3;

- оптимальным с точки зрения легирования является диапазон концентрации Mg 2-7-10'9 см"3;

-в области концентрации Mg больше 7-1019 см"3 концентрация дырок падает из-за сильного возрастания эффекта самокомпенсации;

- наблюдается значительное увеличение вхождения Mg при переходе от стехиометрических условий роста V/1II-1 к режиму обогащения аммиаком V/I1I>1.

8. С увеличением состава AlxGa|.xN наблюдается резкое возрастает энергия активации уровня Mg, которая для х=0.1 составляет -230 мэВ, при этом удельное сопротивление возрастает до ~10 Ом-см.

9. С помощью компьютерного моделирования выполнен анализ оптических и электрических характеристик светодиодов на основе КПСР. Из расчетов следует, что наибольшей эффективностью излучения должна обладать структура типа ДГС.

10.С учетом результатов компьютерного моделирования на основе КПСР впервые получены светодиоды с излучением в УФ области спектра и изучены их основные свойства:

- изменением только ширины ямы в активной области светодиода возможно получить излучение в диапазоне 250-290 нм для КПСР A1N/ Al00sGa092N и в диапазоне 325-345 для КПСР Alo4Gao6N/GaN;

- введение узкой активной области не изменяет ВАХ р-n переход;

-наибольшая мощность излучения была получена для длины волны

излучения 280 нм, равная 160 мкВт в импульсном режиме при прямом токе 250 А/см2.

11. Наблюдается увеличение почти на два порядка интенсивности катодолюминесценции МКЯ с длиной волны 280 нм при росте ямы в режиме сильного обеднения по аммиаку. Этот эффект интерпретируется в терминах формирования квантовых точек AlGaN.

Список цитированной литературы.

1. Munir Z. A., Searcy A. W. Activation energy for the Sublimation of Gallium Nitride // J. Chem. Phys. - 1965. - V. 42. - pp. 4223-4228.

2. Hwang J., Schaff W. J, Eastman L., Bradley S. Т., Brillson L. J., Look D. C, Wu J., Walukiewicz W., Furis M., Cartwright A. N. Si doping of high-Al-mole fraction AlxGai-xN alloys with rf plasma-induced molecular-beam-epitaxy // Appl. Phys. Lett.-2002-V. 81. -pp. 5192-5194.

3. Guha S., Bojarczuk N. A., Cardone F. Mg in GaN: Incorporation of a volatile species at high temperatures during molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -1997. -V. 71.-pp. 1685-1687.

4. Воробьев А. А., Кораблев В. В., Карпов С. Ю. Легирование магнием в молекулярно-пучковой эпитаксии нитрида галлия из активированного азота // ФТП.-2003.-Т. 37.-С. 866-870.

5. Schubert Е. F., Grieshaber W., Goepfert I. D. Enhancement of deep acceptor activation in semiconductors by superlattice doping // Appl. Phys. Lett-1996-V. 69-pp. 3737-3739.

6. Алферов Ж. И., Казаринов Р. Ф. / Авт. свид. СССР № 181737 - 1963.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Борисов Б. А., Кораблев В. В., Курятков В. В., Кудрявцев Ю., Asomosa R., Holtz М., Никишин С. А. Легирование магнием слоев AUGai.xN (0 < х < 0.35), выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии с аммиаком // Научно-технические ведомости СПбГПУ.-2008—№ 2.-С. 122-125.

2. Борисов Б. А., Никишин С. Н., Курятков В. В., Кучинский В. И., Holtz М., Temkin Н. Повышенная излучательная рекомбинация квантовых ям AIGaN, выращенных методом молекулярно пучковой эпитаксии // ФТП-2006.-Т. 40.-С. 460-463.

3. Борисов Б. А., Демидов Д. М., Красовицкий Д. М., Погорельский Ю.

B., Соколов И. А., Чалый В. П., Шкурко А. П., Карпов С. Ю., Ратников В. В., Ткачман М. Г., Шубина Т. В., Голубок А. О., Масалов

C. А. Особенности молекулярно-пучковой эпитаксии слоев GaN и InGaN, полученных с использованием аммиака // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.—2002.—Т. З.-С. 74-77.

4. Борисов Б. А., Курятков В. В., Никишин С. A., Holtz М., Temkin Н. Короткопериодные AIN/AlGaN сверхрешетки для светодиодов, работающих в дальнем ультрафиолете // Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы. Тез. докл. IV Всероссийской конференции 3-5 июля 2005 г.- ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург.

5. Никишин С. А., Борисов Б. А., Курятков В. В., Saxena J., Кипшидзе Г., Булашевич К. А., Жмакин И. А., Карпов С. Ю., Макаров Ю. Н., Holtz М., Temkin Н. Digital alloys: short period superlattices of AIN/AlGaN for ultraviolet device applications // Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures (PLMCN4): Тез. Докл. IV Международной конференции 29 июня - 3 июля 2004 г.- Санкт-Петербург.

6. Borisov В., Nikishin S., Kuryatkov V., Temkin Н. Enhanced Deep UV Luminescence From AIGaN Quantum Wells Grown in 3D Mode // Appl. Phys. Lett.—2005.—V. 87.-n. 191902.

7. Borisov В., Kuryatkov V., Kudryavtsev Yu., Asomoza R., Nikishin S., Holtz M., Temkin H. Si-doped Al,Ga|.xN (0.56 £ x й 1) layers grown by molecular beam epitaxy with ammonia // Appl. Phys. Lett.-2005.-V. 87.-n. 132106.

8. Nikishin S., Borisov В., Kuryatkov V., Holtz M., Garrett G. A., Sarney W. L., Sampath A. V., Shen H., Wraback M., Usikov A., Dmitriev V. Deep UV light emitting diodes grown by gas source molecular beam epitaxy // J. Mater. Sci: Materials in Electronics.-2008.-V. 19.-pp. 764-769.

9. Nikishin S., Borisov B., Kuryatkov V., Song D., Holtz M., Garrett G. A., Sarney W. L., Sampath A. V., Shen H., Wraback M. Luminescence properties of AlxGa,_xN (0.4 < x < 0.5)/AlyGa,_yN (0.6 < y < 1) quantum structures grown by gas source molecular beam epitaxy // Phys. Stat. Sol. (c).—2008.—V. 5.—pp. 1852-1854.

10. Nikishin S. A., Borisov B. A., Kuryatkov V. V., Holtz M., Garrett G. A., Sarney W. L., Sampath A. V., Shen H., Wraback M. Correlations between the Growth Modes and Luminescence Propertiesof AlGaN Quantum Structures // Jpn. J. Appl. Phys. - Jpn. J. Appl. Phys.-2008.-V. 47.-pp. 1556-1558.

11. Nikishin S, Bonsov B., Garrett G. A., Samey W. L., Sampath A. V., Shen P. H., Wraback M., Holtz M. Enhanced luminescence from AlxGa|.xN/AlyGai.yN quantum wells grown by gas source molecular beam epitaxy with ammonia // Proc. of SP1E-2007-V. 6473.-n. 06.

12. Nikishin S., Borisov B., Kuryatkov V., Usikov A., Dmitriev V., Holtz M. Deep UV AlGaN light emitting diodes grown by gas source molecular beam epitaxy on sapphire and AlGaN/sapphire substrates // Proc. of SP1E-2006-V. 6121.-n. OT.

13. Nikishin S., Borisov B., Kuryatkov V., Holtz M., Temkin H. Short-period AlGaN based superlattices for deep UV light emitting diodes grown by gas source molecular beam epitaxy // Mat. Res. Soc. Symp. Proc.-2006.-V. 892.-n. FF01-06.

14. Nikishin S. A., Borisov B. A., Chandolu A., Kuryatkov V. V., Temkin H., Holtz M., Mokhov E. N., Makarov Yu., Helava H. Short-period superlattices of AlN/Alo.osGao^N grown on A1N substrates // Appl. Phys. Lett.—2004.-V. 85.-pp. 4355-4357.

15. Holtz M., Ahmad I., Kuryatkov V. V., Borisov B. A., Kipshidze G. D., Chandolu A., Nikishin S. A., Temkin H. Optical Properties of AlN/AlGa(In)N Short Period Superlattices - Deep UV Light Emitting Diodes // Mat. Res. Soc. Symp. Proc.-2004-V. 798.-n. Yl.9.1.

16. Nikishin S. A., Kuryatkov V. V., Chandolu A., Borisov B. A., Kipshidze G. D., Ahmad I., Holtz M., Temkin H. Deep Ultraviolet Light Emitting Diodes Based on Short Period Superlattices of AlN/AIGa(In)N // Jpn. J. Appl. Phys.—2003—V. 42.-pp. L1362-L1365.

17. Kuryatkov V., Zhu K., Borisov B., Chandolu A., Gherasoiu Iu., Kipshidze G., Chu S. N. G., Holtz M., Kudryavtsev Yu., Asomoza R., Nikishin S., Temkin H. Electrical properties of p-n junctions based on superlattices of AIN/AlGa(ln)N //Appl. Phys. Lett.-2003.-V. 83.-pp. 1319 -1321.

18. Kipshidze G., Kuryatkov V., Zhu K., Borisov B., Holtz M., Nikishin S., Temkin H. AlN/AlGalnN superlattice light-emitting diodes at 280 nm // J. Appl. Phys.—2003—V. 93.—pp. 1363-1366.

19. Kipshidze G., Kuryatkov V., B. Borisov, Nikishin S., Holtz M., Chu S. N.

G., Temkin H. Deep ultraviolet AlGalnN-based light-emitting diodes on Si(lll) and sapphire // Phys. Stat. Sol. (a).-2002.-V. 192.-pp. 286-291.

20. Kipshidze G., Kuryatkov V., Borisov B., Holtz M., Nikishin S., Temkin

H., AlGalnN-based ultraviolet diodes grown on Si (111) II Appl. Phys. Lett.—2002—V. 80.-pp. 3682-3684.

21. Holtz M., Kipshidze G., Chandolu A., Yun J., Borisov B., Kuryatkov V., Zhu K., Chu S. N. G., Nikishin S. A., Temkin H. Preparation of Optoelectronic Devices Based on AIN/AlGaN Superlattices // Mat. Res. Soc. Symp. Proc.-2002.-V. 744.-n. M10.1.

22. Alexeev A. N., Borisov B. A., Chaly V. P., Demidov D. M., Dudin A. L., Krasovitsky D. M., Pogorelsky Yu. V., Shkurko A. P., Sokolov I. A., Stepanov M. V., Ter-Martirosyan A. L The growth rate evolution versus substrate temperature and V/1II ratio during GaN MBE using ammonia // MRS Internet J. Nitride Semicond.-1999.-Res. 4.-n. 6.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08 97

Подписано в печать 04 09.2008 Формат 60x84/16. Печать цифровая. Уел печ. л. 1,0. Уч.-изд. л 1,0 Тираж 100 Заказ 3327Ь

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул , 29 Тел "(812) 550-40-14 Тел/факс (812)297-57-76

Введение.

1. Свойства, применение и особенности получения нитридов металлов третьей группы.

1.1. Основные свойства и применение 111-нитридов.

1.2. Способы получения эпитаксиальных пленок нитридов металлов третьей группы.

2. Экспериментальные методики и постановка экспериментов.

2.1 Конструктивные и функциональные особенности установки

МПЭ ЭПН-1.

2.1.1 Структура установки ЭПН-1.

2.1.2 Подготовка и проведение эпитаксиалъного роста на установке ЭПН-1.

2.2. Конструктивные и функциональные особенности установки

МПЭ ШВЕЯ 32Р.

2.2.1. Структура установки ШВЕЯ 32.

2.2.2. Особенности использования яркостного пирометра для контроля ростового процесса в МПЭ.

2.2.3 Подготовка и проведение эпитаксиалъного роста на установке ШВЕЯ 32Р.

2.2.4. Особенности использования силана для легирования 111-нитридов кремнием в установке РИБЕР 32.

2.2.5. Особенности использования эффузионной ячейки в качестве источника магния.

2.3. Измерение параметров эпитаксиальных структур.

2.3.1. Установка для измерения катодолюминесценции.

2.3.2. Установка для измерения электрических параметров по эффекту Холла.

2.3.3 Омические контакты к легированным слоям п- и р-типа проводимости.

3. Рост полупроводниковых слоев GaN, AIN и твердых растворов на их основе методом МПЭ.

3.1. Начальная стадия эпитаксиального роста.

3.1.1. Эпитаксиальныйрост на Si(lll).

3.1.2. Эпитаксиальный рост на ÄI2O3 (0001).

3.2. Кинетика эпитаксиального роста нитридов III группы.

3.3. Кристаллические и оптические свойства короткопериодных сверхрешеток AIN/AlGaN.

4. Получение и свойства светодиодов с излучением в УФ области на основе гетероструктур AlGaN.

4.1 Легирование сплавов AlGaN.

4.1.1. Легирование слоев AlxGaj.xN кремнием в диапазоне составов 0.56<х< 1.

4.1.2. Легирование слоев AJGaj.xNмагнием (0<к<0.35).

4.1.3. Легирование и электрические свойства короткопериодных сверхрешеток.

4.2. Оптические и электрические свойства светодиодов на основе КПСР, излучающих в дальней УФ области.

4.3. Рост и оптические свойства квантовых точек AlGaN.

Нитриды элементов III группы (далее III-нитриды), включающие три двойных соединения семейства AIN, GaN, InN и их сплавы, представляют собой широкозонные ' полупроводники с прямыми оптическими переходами и стабильными физическими и химическими свойствами. В настоящее время они считаются одними из наиболее перспективных материалов для разработки новых типов оптоэлектронных устройств, работающих в широком диапазоне длин волн от видимой до дальней УФ областей спектра, а также мощных СВЧ приборов, способных функционировать в агрессивных средах и при высоких температурах.

Несмотря на достигнутый в последние годы значительный технологический прогресс в разработке и создании эффективных светодиодов и лазерных диодов, излучающих в сине-зеленой и ближней УФ области, эффективность излучения в дальней УФ области спектра (А, < 300 нм) остается очень низкой. Однако потребность в таких светоизлучающих приборах чрезвычайно высока. К основным областям их применения можно отнести: эффективные источники белого света вместо ламп накаливания, устройства оптической записи информации повышенной плотности, приборы для микроанализа состава биологических сред и т. д.

Ключевой проблемой при получении высококачественных пленок Ш-нитридов является отсутствие подходящих подложек, имеющих соответствующие параметры кристаллической решетки и коэффициент теплового расширения. Так, традиционные подложки из сапфира и кремния, на которых выращивают слои Ш-нитридов, имеют, например, для GaN рассогласование 14% и 17% соответственно. Начальная стадия роста, на которой происходит «согласование» кристаллических решеток подложки и пленки, в этом случае оказывает решающее влияние на структурные, электрические и оптические свойства получаемых полупроводниковых слоев и гетероструктур.

Другим важным аспектом при создании светоизлучающих приборов является получение слоев AlGaN п- и р-типа проводимости с высоким уровнем легирования. Однако легирование широкозонных полупроводников обычно представляет собой довольно непростую задачу. Один из путей преодоления этой трудности лежит в использовании короткопериодных сверхрешеток (КПСР). Для использования в светодиодах, излучающих в дальней УФ области спектра, КПСР должны содержать в барьерах чистый A1N и иметь период, равный всего нескольким монослоям. Рост, оптические и электрические свойства таких сверхрешеток и возможность их использования в светодиодах в настоящее время остаются практически не изученными.

Повышение эффективности излучения требует использования в активной области светодиода квантово-размерных структур — квантовых ям и точек. Если свойства квантовых ям AIGN уже довольно хорошо изучены, то в литературе совершенно отсутствует информация о получении и свойствах квантовых точек AIGN.

В настоящее время эпитаксиальные слои Ш-нитридов получают в основном методами газофазнаой эпитаксии из металлорганических соединений (МОСГЭ) и молекуляно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Несомненно, МПЭ является одним из наиболее перспективных методов получения полупроводниковых структур с толщинами слоев, находящимися на атомном уровне. К достоинствам этого метода относятся возможность получения монокристаллов высокой чистоты (за счет проведения ростового процесса в сверхвысоком вакууме); возможность выращивания сверхтонких слоев с резкими изменениями состава на границах (за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии компонент, и практически мгновенного прерывания молекулярных потоков, поступающих на подложку); прецизионный контроль толщин слоев на атомарном уровне (за счет высокой скорости управления потоками и относительно малых скоростей роста); высокая однородность состава и уровня легирования вдоль поверхности структуры, in-situ диагностика роста при помощи отражательной дифракции быстрых электронов (ОДБЭ) и др.

Таким образом, разработка технологии получения УФ светодиодов на основе Ш-нитридов методом МПЭ является весьма актуальной.

Цель работы заключается в разработке технологии получения светодиодов (СД), излучающих в ультрафиолетовой области 250-350 нм, на основе Ш-нитридов методом молекулярно-пучковой эпитаксии с аммиаком. Для этого необходимо решить следующие задачи:

- исследовать эпитаксиальный рост GaN, AIN и AlGaN и получить слои высокого кристаллического качества;

- исследовать легирование слоев AlxGaixN магнием и кремнием в широком диапазоне составов х;

- исследовать влияние параметров КПСР AIN/AlGaN и AlGaN/GaN на их оптические и электрические характеристики и легирование магнием и кремнием;

- найти оптимальные условия роста множественных квантовых ям (МКЯ), приводящие к возникновению квантовых точек AlGaN, и исследовать их оптические характеристики;;

- разработать структуру СД с излучением в диапазоне 250-350 нм и исследовать оптические и электрические и характеристики полученных СД.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- разработан новый метод роста высокотемпературного буферного слоя A1N на наиболее важной начальной стадии;

- определены кинетические закономерности десорбции GaN во время роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии с аммиаком;

- получены систематические данные об оптических свойствах короткопериодных сверхрешеток AIN/AlGaN в области средних составов 0.50-0.85;

- получены слои AlxGaixN:Si n-типа с высоким уровнем легирования

IQ "î

10 см" ) вплоть до состава jc~0.85, выращенные методом МПЭ с газовыми источниками аммиака и силана;;

- исследовано вхождение магния и легирование слоев AlxGaixN:Mg (0< х< 0.35) р-типа выращенных методом МПЭ с аммиаком ;;

- найдены ростовые условия МКЯ, позволившие получить квантовые точки AlGaN в матрице AlGaN, и исследованы их оптические характеристики;

- получены светодиоды, излучающие в диапазоне длин волн 260 - 280 нм.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенная технология может быть использована в качестве основы для разработки промышленной технологии получения светодиодов в УФ области. Основные этапы этой технологии могут быть также использованы при изготовлении фотоприемников, работающих в УФ диапазоне спектра. Результаты исследований представляют интерес при1 разработке технологии получения других полупроводниковых приборов на основе нитридов III группы (например, мощных биполярных и полевых транзисторов): Основные результаты работы, выдвигаемые на защиту:

- Образование нитрида кремния, Si3N4, на поверхности кремниевой подложки до начала роста не только не препятствует, а, наоборот, способствует формированию высокотемпературного буферного слоя A1N с высоким кристаллическим совершенством. Это достигается посредством прецизионного контроля толщины SÎ3N4 с помощью отражательной дифракции быстрых электронов (ОДБЭ) и попеременной подачей потоков алюминия и аммиака на начальной стадии роста. 1

- Основными факторами, определяющими десорбцию Ga в ростовых условиях, являются кинетические явления, происходящие на растущей поверхности GaN. Энергии активации десорбции Ga совпадает с энергией свободного испарения и составляет величину 3.2±0.1 эВ.

- Эффективная ширина запрещенной зоны, КПСР AlN/Alo.ogGao^N с шириной ямы 0.50 и 0.75 нм может быть изменена заданным образом с шагом 140 мэВ в диапазоне 4.50 5.30 эВ путем изменения периода от 1.25 до 2.25 нм.

- Энергия активации донорного уровня кремния в слоях AlxGaixN не зависит от состава по A1N в диапазоне 0.56<х<0.85 и составляет величину -20 мэВ. При этом максимально достижимая концентрация электронов имеет величину 1.0-^-2.5-1019 см"3.

- Использование КПСР в приборных структурах, выращенных методом МПЭ с аммиаком, позволяет создать светодиоды с излучением в УФ диапазоне 250ч-345 нм.

- Уменьшение потока аммиака во время роста ямных слоев МКЯ ниже минимально допустимого при росте объемных слоев AlxGai.xN (0.3<х<0.45) приводит к формированию вертикально упорядоченных квантовых точек AlGaN и увеличению интенсивности люминесценции на два порядка.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на следующих семинарах и конференциях: 7th International Conference of Nitride Semiconductors (ICNS-7), Las Vegas, Nevada, USA (2007); SPIE Photonics West Conference on Integrated Optoelectronic Devices, San Jose, CA, USA (2007); SPIE Photonics West Conference on Integrated Optoelectronic Devices, San Jose, California USA (2006); SPIE Optics/Photonics in Security & Defence Conference on Optically-Based Biological and Chemical Detection for Defence III, Stockholm, Sweden (2006); 4-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург (2005); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2005); IV Международной конференции Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures (PLMCN4), С.-Петербург, Россия (2004); TMS Electronic Materials Conference, University of Notre Dame, Notre Dame, Indiana, USA (2004); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2003); 5th International Conference on Nitride Semiconductors ICNS-5, Nara, Japan (2003); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2002); International Workshop on Nitride Semiconductors,

Aachen, Germany (2002); 4th International Symposium on Blue Lasers and Light Emitting Diodes (ISBLLED-4), Cordoba, Spain (2002); TMS Electronic Materials Conference, Santa Barbara, USA (2002); The 7th Wide Bandgap Ill-Nitride Workshop, Richmond, Virginia, USA (2002); MRS Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA (2001); 20th North American Conference on Molecular Beam Epitaxy (NA-MBE 2001), Providence, Rhode Island, USA (2001); 4th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-4), Denver, Colorado, USA (2001); 1 Ith EURO-MBE Workshop, Hinterzarten, Germany (2001).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 22 научных работах, список которых приведен в конце диссертации.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Материалы работы изложены на 163 страницах, содержат 66 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 160 наименований.

Основные результаты работы.

1. В результате исследования нуклеации и роста буферного слоя A1N на кремниевых и сапфировых подложках установлено, что

- образование нитрида кремния на поверхности подложки при определенных контролируемых условиях не только не препятствует, но способствует формированию высокотемпературного буферного слоя A1N высокого качества;

- оптимальная температура подложки для нуклеации роста составляет 860°С;

- использование высокотемпературного буфера A1N при росте на сапфировых подложках позволяет получать однородные слои, имеющие полярность элемента III группы, а отсутствие буфера приводит к формированию доменов инверсной полярности.

2. Определен характер влияния на скорость роста GaN и A1N основных кинетических параметров — температуры и отношения потоков элементов III и V группы:

- на зависимости скорости роста от отношения III/V можно выделить три области с различным характером поведения: NH3-лимитирующий, III-лимитирующий и «вязкостный»;

- уменьшение скорости роста GaN с увеличением температуры связано с десорбцией;

- отсутствие зависимости скорости десорбции GaN от отношения V/III свидетельствует о том, что десорбция в данных экспериментальных условиях не укладывается в рамки термодинамического приближения.

3. Исследованы оптические и электрические свойства КПСР A1N/ Alo.osGao.92N.

Установлены следующие закономерности:

- эффективная ширина запрещенной зоны КПСР может быть плавно изменена в диапазоне 4.5-5.6 эВ с шагом 0.1 эВ при изменении периода в интервале 1.25-2.25 нм;

- в результате легирования в КПСР может быть достигнута концентрация дырок ~Ь1018 см"3 и электронов ~Ы019 см"3;

- слабая температурная зависимость концентрации носителей тока объясняется образованием вырожденного двумерного электронного газа в ямных слоях;

4. Изготовленный на основе КПСР A1N/ Alo.osGao.92N высокого качества р-п переход характеризуется следующими параметрами:

- напряжение отсечки - 5 В;

- обратное напряжение провбоя — 90 В;

- темновой ток обратно смещенного р-n перехода при малых напряжениях -3-Ю"10 А/см2;

5. Исследованы оптические и электрические свойства КПСР Alo.4Gao.6N/GaN. Установлены следующие закономерности:

- в результате легирования в КПСР может быть достигнута концентрация

17 3 18 3 дырок-5-10 см" и электронов ~Ь10 см";

- при постоянной толщине барьера db=5 нм изменении ширины ямы в интервале 0.6-1.5 нм вызывает линейное изменение длины волны KJI в пределах 345 - 325 нм.

6. Установлены закономерности легирования слоев AlxGai.xN кремнием:

- в легированных кремнием слоях возможно получение концентрации

19 1 электронов >1-10 см" вплоть до составов х=0Я5 ;

- значительное уменьшение концентрации электронов в интервале х>0.85 объясняется резким возрастанием энергии активации донорного уровня от 40 до 265 мэВ;

7. Установлены закономерности легирования слоев Al0.04Ga0.90N магнием:

- концентрация введенного Mg пропорциональна потоку из эффузионной ячейки вплоть до величины 1-Ю20 см"3.

- оптимальным с точки зрения легирования является диапазон концентрации Mg 2-7-1019 см"3.

1 Q -J

- в области концентрации Mg больше 7-10 см" концентрация дырок падает из-за сильного возрастания эффекта самокомпенсации.

- наблюдается значительное увеличение вхождения Mg при переходе от стехиометрических условий роста V/III—1 к режиму обогащения аммиаком V/III>1.

8. С увеличением состава AlxGaixN наблюдается резкое возрастание энергии активации уровня Mg, которое для х=0.1 составляет -230 мэВ, при этом удельное сопротивление возрастает до —10 Ом-см.

9. С помощью компьютерного моделирования выполнен анализ оптических и электрических характеристик светодиодов на основе КПСР. Из расчетов следует, что наибольшей эффективностью излучения должна обладать структура типа ДГС.

10. С учётом результатов компьютерного моделирования на основе КПСР впервые получены светодиоды с излучением в УФ области спектра и изучены их основные свойства:

- Изменением только ширины ямы в активной области светодиода возможно получить излучение в диапазоне 250-290 нм для КПСР A1N/ Alo.08Gao.92N и в диапазоне 325-345 для КПСР Alo.4Gao.6N/GaN.

- Введение узкой активной области не изменяет ВАХ р-n переход;

- Наибольшая мощность излучения была получена для длины волны излучения 280 нм, равная 160 мкВт в импульсном режиме при прямом токе 250 А/см .

11. Наблюдается увеличение почти на два порядка интенсивности катодолюминесценции МКЯ с длиной волны 280 нм при росте ямы в режиме сильного обеднения по аммиаку. Этот эффект интерпретируется в терминах формирования квантовых точек AlGaN.

Заключение

1. Sze S. M. Physics of Semiconductor Device. New York: Wiley Interscience Publication, 1981.-868 p.

2. Бахтизин P. 3. Голубые диоды // Соросовский образовательный журнал -2001.-Т. 7.-С. 75-83.

3. Nakamura S., Senoh M., Mukai T. P-GaN/N-InGaN/N-GaN Double-Heterostructure Blue-Light-Emitting Diodes // Jpn. J. Appl. Phys. -1993.-V. 32. -pp. L8-L11.

4. Nakamura S., Senoh M., Iwasa N., Nagahama S., Yamada T., Mukai 1 T. Superbright Green InGaN Single-Quantum-Well-Structure Light-Emitting Diodes // Jpn. J. Appl. Phys. -1993.-V. 34. -pp. L1332-L1335.

5. Nakamura S., Senoh M., Nagahama S., Iwasa N., Yamada T., Matsushita T., Kiyoku H., Sugimoto Y. InGaN-Based Multi-Quantum-Well-Structure Laser Diodes // Jpn. J. Appl. Phys. -1993. -V. 35. -p. L74-L76.

6. Hirayama H. Quaternary InAlGaN-based high-efficiency ultraviolet light-emitting diodes // J. Appl. Phys. -2005. -V. 97. -n. 091101.

7. Zukauskas A., Shue M. S., Gaska R. Introduction to Solid-State Lighting. -New York: Wiley Interscience Publication, 2002. 207 p.

8. Adivarahan V., Wu S., Zhang J. P., Chitnis A., Shatalov M., Madavilli V., Gaska R., Asif Khan M. High-efficiency 269 nm emission deep ultraviolet light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. -2004. -V. 84. -pp. 4762-4764.

9. Sun W. H., Adivarahan V., Shatalov M., Lee Y., Wu S., Yang J. W., Zhang J. P., Asif Khan M. Continuous Wave Milliwatt Power AlGaN Light Emitting Diodes at 280 nm // Jpn. J. Appl. Phys. -2004. -V. 43. -pp L1419-L1421.

10. Chowdhury U., Wong M. M., Collins С. J., Yang В., Denyszyn J. С., Campbell J. C., Dupuis R. D. High-performance solar-blind photodetector using an Alo.6Gao.4N n-type window layer // J. Cryst. Growth.- 2003.-V. 248. -pp. 552555.

11. Properties of Group III Nitrides / ed. Edgar J. H. -London: EMIS, 1994.-320 p.

12. Shenai K., Scott R. S., Baliga B. J. Optimum semiconductors for high power electronics // IEEE Transactions on Electron Devices. -1989. —V.36. —pp. 1811-1823.

13. Casady J. B., Agarwal A. K., Seshadri S., Siergiej R. R., Rowland L. B., MacMillan M. F., Sheridan D. C., Sanger P. A., Brandt C. D. 4H-SiC power devices for use in power electronic motor control // Solid-State Electron. -1998. — V.42.-pp. 2165-2176.

14. Wu Y. F.; Kapolnek D., Ibbetson J. P., Parikh P., Keller B. P, Mishra U. K. Very-high power density AlGaN/GaN HEMTs // IEEE Trans. Electron. Dev. —2001.-V. 48.-pp. 586-590.

15. Binari S. C., Ikossi K., Roussos J. A., Kruppa W., Park D., Dietrich H. B., Koleske D. D., Wickenden A. E., Henry R. L. Trapping effects and microwave power performance in AlGaN/GaN HEMTs // IEEE Trans. Electron. Dev. -2001. -V. 48.-pp. 465-471.

16. Eastman L.F. Results, Potential and Challenges of High Power GaN-Based Transistors //Physica Status Solidi (a). -1999.-V. 176. -pp. 175-178.

17. Ambacher O. Growth and applications of Group Ill-nitrides // J. Phys. D. -1998.-V. 31.-pp. 2653-2710.

18. Aoki M., Yamane H., Shimada M., Sarayama S., DiSalvo F. J. Conditions for seeded growth of GaN crystals by the Na flux method // Mater. Letters. -2002. -V. 56. -pp. 660-664.

19. Kawamura F., Morishita M., Iwahashi T., Yoshimura M., Mor Y., Sasaki T. Synthesis of Bulk GaN Single Crystals Using Na-Ca Flux // Jpn. J. Appl. Phys.2002. -V. 41. -pp. L1440-L1442.

20. Shin T. I., Yoon D. H. Growth behavior of bulk GaN single crystals grown with various flux ratios using solvent-thermal method // Crys. Res. Technol.-2005. -V. 40. -pp. 827-831.

21. Puychevrier N., Menoret M. Synthesis of III—V semiconductor nitrides by reactive cathodic sputtering // Thin Solid Films. -1976. —V. 36. -pp. 141-145.

22. Lakshmi E., Mathur В., Bhattacharya А. В., Bhargava V. P. The growth of highly resistive gallium nitride films // Thin Solid Films. -1980. -V. 74. -pp. 7782.

23. Zembutsu S., Kobayashi M. The growth of c-axis-oriented GaN films by D.C.-biased reactive sputtering // Thin Solid Films. -1985. -V. 129. -pp. 289-297.

24. Maruyama Т., Morishita T. Indium nitride thin films prepared by radio-frequency reactive sputtering // J. Appl. Phys. -1994. -V. 76. -pp. 5809-5812.

25. Федоров П. И., Мохосев М. В., Алексеев Ф. П. Химия галлия, индия и таллия. Новосибирск: Наука, 1977. - 224 с.

26. Shaw D. W. Kinetic aspects in the vapour phase epitaxy of III-V compounds // J. Cryst. Growth. -1975.-V. 31.-pp. 130-141.

27. Hwang J. S., Kuznetsov A. V., Lee S. S., Kim H. S., Choi J. G., Chong P. J. Heteroepitaxy of gallium nitride on (0001), (TO 12) and (1010) sapphire surfaces // J. Cryst. Growth. -1994. -V. 142. 5-14.

28. Kelly M.K., Ambacher O., Dimitrov R., Handschuh R., Stutzmann M. Optical Process for Liftoff of Group Ill-Nitride Films // Phys. Status Solidi. -1997. -V. 159. -pp. R3-R4.

29. Шека И. А., Шека 3. А. Галогениды индия и их координационные соединения Киев: Наук, думка, 1981. - 300 с.

30. Bauer J., Biste L., Bolze D. Optical properties of aluminium nitride prepared by chemical and plasmachemical vapour deposition // Phys. Status Solidi (a). — 1977.-V. 39.-pp. 173-181.

31. Yasan A., McClintock R., Mayes K., Darvish S. R., Kung P., Razeghi M.,

32. Molnar R. J. 280 nm UV LEDs grown on HVPE GaN substrates // OPTOELECTRONICS REVIEW. -2002. -V. 10. -pp. 287-289.

33. Manasevit H.M., Erdman F.M., Simpson W.I. The Use of Metalorganics in the Preparation of Semiconductor Materials // J. Electrochem. Soc. -1971. -V. 118. — pp. 1864-1868.

34. Nakamura S. GaN Growth Using GaN Buffer Layer // Jpn. J. Appl. Phys. -1991. -V. 30. -pp. L1705-L1707.

35. Morita M., Isogai S., Shimizu N., Tsubouchi K., Mikoshiba N. Aluminum Nitride Epitaxially Grown on Silicon: Orientation Relationships // Jpn. J. Appl. Phys.-1981.-V. 20. -pp. L173-L175.

36. Вредные вещества в промышленности: «Неорганические и элементорганические соединения». Справочник для химиков, инженеров и врачей. -Т. 3-3. / Под ред. Н. В.Лазарева и И. Д.Гадаскиной -Л.: Химия, 1977. 608 с.

37. Kokubun Y., Nishio J., Abe M., Ehara Т., Nakagomi S. Properties of GaN Epitaxial Layers Grown at High Growth Rates by Metalorganic Chemical Vapor Deposition // J. Electron. Mater. -2001. -V. 30. -pp. 23-27.

38. Neumayer D. A., Ekerdt J.G. Growth of Group III Nitrides. A Review of Precursors and Techniques // Chem. Mater. -1996. -V. 8. -pp. 9-25.

39. Guo Q., Kato O., Yoshida A. Thermal stability of indium nitride single crystal films //J. Appl. Phys. -1993. -V. 73. -pp. 7969-7971.

40. Powell R. C., Lee N.-E., Greene J. E. Growth of GaN(OOOl) lxl on Al203(0001) by gas-source molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -1992. -Y. 60. -pp. 2505-2507.

41. Kamp M., Mayer M., Pelzmann A., Ebeling K. J. Fundamentals, Material Properties and Device Performances in GaN MBE using On-Surface Cracking of Ammonia // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res.-1997. -V. 2. -p. 26.

42. Abernathy C. R. Growth of Group-Ill Nitrides from Molecular Beams // GaN and Related Materials / edited by S. J. Pearton. New York: Gordon and Breach Sciense Publishes, 1997. -pp. 11-51.

43. Jain S. C., Willander M., Narayan J., Van Overstraeten R. Ill-nitrides: Growth, characterization, and properties // J. Appl. Phys. -2000. -V. 87. -pp. 965-1006.

44. Kim W., Aktas O., Botchkarev A. E., Salvador A., Mohammad S. N., Morkof H. Reactive molecular beam epitaxy of wurtzite GaN: Materials characteristics and growth kinetics // J. Appl. Phys. -1996. -V. 79. -pp. 7657-7666.

45. Johnson K., Bousquet V., Hooper S. E., Kauer M., Zellweger C., Heffernan J. High-power InGaN light emitting diodes grown by molecular beam epitaxy // Electron. Lett. -2004. -V. 40. -pp. 1299-1300.

46. Hooper S. E., Kauer M., Bousquet V., Johnson K., Barnes J. M., Heffernan J. InGaN multiple quantum well laser diodes grown by molecular beam epitaxy // Electron. Lett. -2004. -V. 40. -pp. 33-34.

47. Dobson P.J., Joyce B.A., Neave J.H. Current understanding and applications of the RHEED intensity oscillation technique // J. of Crystal Growth. -1987. -V. 81. -pp. 1-8.

48. Properties of advanced semiconductor materials: GaN, A1N, InN, SiC, SiGe / ed. M. E. Levinstein, S. L. Rumyantsev and M. S. Shur. -New York: John1. Wiley&Sons. Inc., 2001.

49. Van de Walle C. G., Stampfl C., Neugebauer J. Theory of doping and defects in III-V nitrides // J. Cryst. Growth. -1998. -V. 189. -pp. 505-510.

50. Telieps W.5 Bauer E. The (7 x 7)<->(l x 1) phase transition on Si(l 11)// Surf. Sci. -1992. -V. 162. -pp. 163-168.

51. SpringThorpe A. J., Humphreys T. P., Majeed A., Moore W. T. In situ growth rate measurements during molecular beam epitaxy using an optical pyrometer // Appl. Phys. Lett. -2002. -V. 55. -pp. 2138-2140.

52. Bobel, H. Moller F. G., Wowchak A., Hertl В., Van Hove J., Chow L. A., Chow P. P. Pyrometric interferometry for real time molecular beam epitaxy process monitoring // J. Vac. Sci. Technol. -1994. -V. В12. -pp. 1207-1210.

53. Nakamura S. Analysis of Real-Time Monitoring Using Interference Effects // Jpn. J. Appl. Phys. -1991. -V. 30. -pp. 1348-1353.

54. Nakamura S. In Situ Monitoring of GaN Growth Using Interference Effects // Jpn. J. Appl. Phys. -1991. -V. 30. -pp. 1620-1627.

55. Ambacher O., Rieger W., Ansmann P., Angerer H.,. Moustakas T. D, Stutzmann M. Sub-bandgap absorption of gallium nitride determined by Photothermal Deflection Spectroscopy // Sol. State Commun. -1996. -V. 97. -pp. 365-370.

56. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. M.: Наука, 1973. - 721 С.

57. Cui J., A. Sun, Reshichkov М., Yun F., Baski A., Morko? H. Preparation of Sapphire for High Quality Ill-Nitride Growth // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. -2000. -V. 5. -p. 7.

58. Ishizaka A., Shiraki Y.Low Temperature Surface Cleaning of Silicon and Its Application to Silicon MBE // J. Electrochem. Soc. -2004. -V. 151. -pp. 666-671.

59. Таблицы физических величин: Справочник / Под. ред. И. К. Кикоина. -М.: Атомиздат, 1976.- 1008 С.

60. Кучис Е. В. Методы исследования эффекта Холла. М.: Сов. Радио, 1974. -328 С.

61. Chang I. F. Contact resistance in diffused resistors // J. Electrochem. Soc.-1970.-V. 117.-pp. 368-373.

62. Reeves G. K., Harrison H. B. Obtaining thhe Specific Contact Resistance from Transmission Lint Model Measurements // Elect. Device Lett. -1982. -V. EDL-2. -pp. 111-113.

63. Reeves G. K. Specific Contact Resistance Using a Circular Transmission Line Model. // Solid-State Electron. -1980. -V. 23. 487-490.

64. Marlow G. S., Das M. B. The effects of contact size and non-zero metal resistance on the determination of specific contact resistance // Solid-State Electron. -1982. -V. 25. -pp. 91-94.

65. Ohtani A., Stevens K. S., Beresford R. Microstructure and photo luminescence of GaN grown on Si(lll) by plasma-assisted molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -1994. -V. 65. -pp. 61-63.

66. Hellman E. S., Buchanan D. N. E., Chen C. H. Nucleation of A1N on the (7x7) Reconstructed Silicon (111) Surface // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. -1998. -V3.-p. 43.

67. Nakada Y., Aksenov I., Okumura H. GaN heteroepitaxial growth on silicon nitride buffer layers formed on Si (111) surfaces by plasma-assisted molecular beam epitaxy //Appl. Phys. Lett. -1998. -V. 73. -pp. 827-829.

68. Hageman P.R., Haffouz S., Kirilyuk V., Grzegorczyk A., Larsen P.K. High Quality GaN Layers on Si(lll) Substrates: A1N Buffer Layer Optimisation and Insertion of a SiN Intermediate Layer // phys. stat. sol. (a). -2001. -V. 188. -pp. 523-526.

69. Ishikawa H., Yamamoto К., Egawa Т., Soga Т., Jimbo Т., Umeno M. Thermal stability of GaN on (111) Si substrate // J. Cryst. Growth. -1998. -V. 189-190.-pp. 178-182.

70. L.P. Hunt. The Thermodynamic Behavior of the Si-H System and Its Role in Si-CVD from SiH4 // Pros, of 10lh Int. Conf. on Chemical Vapor Deposition, Ed. G.W. Cullen. Princeton, NJ: Electrochem. Soc, 1987. - p.l 12.

71. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочник. Т. 3-4 / Под ред. В. П. Глушко. Москва: Наука, 1981. - 443 С.

72. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочник Т. 2-4 / Под ред. В. П. Глушко. Москва: Наука, 1981.-344 С.

73. Semond F., Cordier Y., Grandjean N., Natali F., Damilano В., Vezian S., Massies J. Molecular Beam Epitaxy of Group-Ill Nitrides on Silicon Substrates: Growth, Properties and Device Applications // phys. stat. sol. (a).- 2001. —V. 188. -pp. 501-510.

74. Yasutake K., Takeychi A., Kakiuchi H., Yoshii K. Molecular beam epitaxial growth of A1N single crystalline films on Si(lll) using radio-frequency plasma assisted nitrogen radical source // J. Vac. Sci. Technol. -1998. -V. 16A. —pp. 2140-2147.

75. Bourret A., Barski A., Rouviere J. L., Renaud G., Barbier A. Growth of aluminum nitride on (111) silicon: Microstructure and interface structure // J. Appl. Phys. -1998. -V. 83. -pp. 2003-2009.

76. Zotov A. V., Khramtsova E. A., Ryzhkov S. V., Saranin A. A., Chub А. В., Lifshits V. G. LEED-AES reexamination of the Ai/Si(lll) 7-phase // Surf. Sci. -1994.-V. 316. -pp. L1034-L1038.

77. Watanabe A., Takeuchi Т., Hirosawa K., Amano H., Hiramatsu K., Akasaki I. The growth of single crystalline GaN on a Si substrate using AIN as an intermediate layer // J. Cryst. Growth. -1993. -V. 28. -pp. 391-396.

78. Антипов В. Г., Никишин С. А., Синявский Д. В. // Письма в ЖТФ. -1991. -Т. 17.-С. 45.

79. Powell R. С., Lee N.-E., Greene J. Е. Growth of GaN(0001) lxl on

80. Al2C)3(0001) by gas-source molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -2003. -V. 60. -pp. 2505-2507.

81. Mesrine M., Grandjean N., Massies J. Efficiency of NH3 as nitrogen source for GaN molecular beam epitaxy // Appl.Phys.Lett. -1998. -V. 72. -pp. 350-352.

82. Wu C.-L., Hsieh J.-L., Hsueh H.-D., Gwo S. Thermal nitridation of the Si(l 1 l)-(7x7) surface studied by scanning tunneling microscopy and spectroscopy // Phys. Rev. -2002. -V. B65. -p. 045309.

83. Goldberg Yu. Aluminium Nitride // Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, A1N, InN, BN, SiC, SiGe / Eds. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2001. -pp. 31-47.

84. Streetman B. G. Solid State Electronic Devices. 3rd Edition. New York: Prentice Hall, 1990. - 462 p.

85. Liu R., Ponce F.A., Dadgar A., Krost A. Atomic arrangement at the A1N/Si(l 11) interface // Appl. Phys. Lett. -2003. -V. 83. -pp. 860-862.

86. Stutzmann M., Ambacher O., Eickhoff M., Karrer U., Lima Pimenta A., Neuberger R., Schalwig J., Dimitrov R., Schuck P.J., Grober R.D. Playing with Polarity//phys. stat. sol. (b). -2001. -V. 228. -pp. 505-512.

87. Di Felice R., Northrup J. E. Energetics of A1N thin films on the Al203(0001) surface// Appl. Phys. Lett. -1998. -V. 73. -pp. 936-938.

88. Cui J., Sun A., Reshichkov M., Yun F., Baski A., Morko? H. Preparation of Sapphire for High Quality Ill-Nitride Growth // MRS Internet J. Nitride

89. Semicond. Res. -2000. -V. 5. -p. 7.

90. Kim K. S., Lim K. Y., Lee H. J. The effects of nitridation on properties of GaN grown on sapphire substrate by metal-organic chemical vapour deposition // Semicond. Sci. Technol. -1999. -V. 14. -pp. 557-560.

91. Grandjean N., Massies J., Leroux M. Nitridation of saphire. Effect on theioptical properties of GaN epitaxial overlayers // Appl. Phys. Lett. -1996. -V. 69. -pp. 2071-2073.

92. Jasinski J., Z. Liliental-Weber, Paduano Q. S., Weyburne D. W. Inversion domains in A1N grown on (0001) sapphire // Appl. Phys. Lett.-2003.-V. 83.-pp. 2811-2813.

93. Huang D., Visconti P., Jones K. M., Reshchikov M. A., Yun F., Baski A. A., King T., Morkoc H. Dependence of GaN polarity on the parameters of the buffer layer grown by molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -2001. -V. 78. -pp.4145-4147.

94. Smith A. R., Feenstra R. M., Greve D. W.5 Shin M.-S., Skowronski M., Neugebauer J., Northrup J. E. Determination of wurtzite GaN lattice polarity based on surface reconstruction // Appl. Phys. Lett. -1998. -V. 72. -pp. 21142116.

95. Vezian S., Semond F., Massies J., Bullock D.W., Ding, Z. Thibado P.M. Origins of GaN (0001) surface reconstructions // Surf. Sci. -2003. -V. 541. -pp. 242-251.

96. Faleev N., Lu H., Schaff W. J. Low density of threading dislocations in A1Ngrown on sapphire // J. Appl. Phys.-2007.-V. 101.-p. 093516.

97. Mesrine M., Grandjean N., Massies J. Efficiency of NH3 as nitrogen source for GaN molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -1998. -V. 72. -pp. 350-352.

98. Karpov S. Yu., Kovalchuk Yu. V., Myachin V. E., Pogorelskii Yu. V. Instability of III-V compound surfaces due to liquid phase formation // J. Cryst. Growth. -1993. -V. 129. -pp. 563-570.

99. Alexeev A. N., Karpov S. Yu., Maiorov M. A., Myachin V. E., Pogorelsky Yu. V., Sokolov I. A. Thermal etching of binary and ternary III-V compounds under vacuum conditions // J. Cryst. Growth. -1996. -V. 166. -pp. 167-171.

100. Karpov S. Yu., Makarov Yu. N., Ramm M. S. The role of gaseous species in group-Ill nitride growth // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. -1997. -V. 2. -p. 45.

101. Held R., Crawford D. E., Johnston A. M., Dabiran A. M., Cohen P. I. N-limited versus Ga- limited growth on GaN(OOO-l) by MBE using NH3 // Surf. Rev. Lett. 1998. -V. 5. -pp. 913-934.

102. Przhevalskii I. N., Karpov S. Yu., Makarov Yu. N. Thermodynamic properties of group-Ill nitrides and related species // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. -1997.-V. 3.-p. 30.

103. Pearton S. J. Wide bandgap semiconductors: growth, processing and applications. New York: William Andrew Publishing/Noyes, 2000. - 571 p.

104. Taniyasu Y., Kasu M., Kobayashi N. Intentional control of n-type conduction for Si-doped A1N and AlxGai.xN (0.42<x<l) // Appl. Phys. Lett. -2002.-V. 81.-pp. 1255-1257.

105. Nakarmi M. L., Kim K. H., Zhu K., Lin J. Y., Jiang H. X. Transport properties of highly conductive n-type Al-rich AlxGaixN (x 0.7) // Appl. Phys. Lett. -2004. -V. 85. -pp. 3769-3771.

106. Taniyasu Y., Kasu M., Kobayashi N. Electrical conduction properties of n-type Si-doped A1N with high electron mobility (>100 cmV^s-1) // Appl. Phys. Lett. -2004. -V. 85. -pp. 4672-4674.

107. McCluskey M. D., Jonson N. M., Van de Walle C. G., Bour D. P., Kneissl, M. Walukiewicz W. Metastability of Oxygen Donors in AlGaN // Phys. Rev. Lett. -1998. -V. 80. -pp. 4008-4011.

108. Stampfl C., Van de Walle C. G. Doping of Al.vGaKvN // Appl. Phys. Lett. -1998.-V. 72.-pp. 459-461.

109. Wagener M. C., James G. R., Omnes F. Intrinsic compensation of silicon-doped AlGaN // Appl. Phys. Lett. -2003. -V. 83. 4193-4195.

110. Zeisel R., Bayerl M. W., Goennenwein S. T. B., Dimitrov R., Ambacher O., Brand M. S., Stutzmann M. DX-behavior of Si in A1N // Phys. Rev. -2000. -V. B61.-pp. R16283-R16286.

111. Yun F., Reshchikov M. A., He L., King T., Morko? H., Novak S. W., Wei L.j

112. Energy band bowing parameter in AlxGaixN alloys // J. Appl. Phys. -2002. -V. 92. -pp. 4837-4839.

113. Chen J., Ivey D. G., Bardwell J., Liu Y., Tang H., Webb J. B. Microstructural analysis of Ti/Al/Ti/Au ohmic contacts to n-AlGaN/GaN // J. Vac. Sci. Technol. A. -2002. -V. 20. -pp. 1004-1010.

114. Torvik, J. T. Dopants in GaN // Ill-Nitride Semiconductors: Electrical,

115. Structural and Defects Properties / Ed. O. Manasreh. Amsterdam: Elseiver, 2000. -p. 17.

116. Schubert E. F., Goepfert I. D., Grieshaber W., Redwing J. M. Optical properties of Si-doped GaN // Appl. Phys. Lett. -1997. -V. 71. -pp. 921-923.

117. Furis M., Cartwright A. N., Hwang J., Schaff W. J. Time Resolved Photoluminescence of Si-doped High A1 Mole Fraction AlGaN Epilayers Grown by Plasma-Enhanced Molecular Beam Epitaxy // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. -2004.-V. 798.-p.Y5.45.

118. Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники. М.: Советское радио, 1971.-190 С.

119. Mott N. F., Davis Е. A., Electronic Properties of Non-Crystalline Materials. -London: Clarendon Press, Oxford, 1971. -604 p.

120. Fischer S., Wetzel C., Haller E. E., Meyer В. K. On p-type doping in GaN— acceptor binding energies // Appl. Phys. Lett. -1995. -V. 67. -pp. 1298-1300.

121. Orton J. W. Acceptor binding energy in GaN and related alloys // Semicond. Sci. Technol. -1995. -V. 10. -pp. 101-104.

122. Jeon S.-R., Ren Z., Cui G., Su J., Gherasimova M., Han J., Cho H.-K., Zhou L. Investigation of Mg doping in high-Al content p-type AlxGaixN (0.3<x<0.5) // Appl. Phys. Lett. -2005. -V. 86. -p. 082107.

123. Li J., Oder T. N., Nakarmi M. L., Lin J. Y., Jiang H. X. Optical and electrical properties of Mg-doped p-type AlxGa!xN // Appl. Phys. Lett. -2002. -V. 80. -pp. 1210-1212.

124. Tanaka Т., Watanabe A., Amano H., Kobayashi Y., Akasaki I., Yamazaki S., Koike M. P-type conduction in Mg-doped GaN and Alo.osGao.92N grown by metalorganic vapor phase epitaxy // Appl. Phys. Lett. -1994. -V. 65. -pp. 593595.

125. Воробьев А. А., Кораблев В. В., Карпов С. Ю. Легирование магнием в молекулярно-пучковой эпитаксии нитрида галлия из активированного азота // ФТП. -2003. -Т. 37. -С. 866-870.

126. Smorchkova I. P., Haus Е., Heying В., Kozodoy P., Fini P., Ibbetson J. P.,

127. Keller S., DenBaars S. P., Speck J. S., Mishra U. K. Mg doping of GaN layers grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -2000. -V. 76.-pp. 718-720.

128. Guha S., Bojarczuk N. A., Cardone F. Mg in GaN: Incorporation of a volatile species at high temperatures during molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -1997.-V. 71.-pp. 1685-1687.

129. Van de Walle C.G., Stampfl С., Neugebauer Theory of doping and defects in III-V nitrides //J. J. Cryst. Growth. -1998. -V. 189/190. -pp. 505-510.

130. Kaufmann U., Schlotter P., Obloh H., Köhler К., Maier M. Hole conductivity and compensation in epitaxial GaN:Mg layers // Phys. Rev. B. -2000. —V. 62. -p. 10867.

131. Воробьев A.A., Кораблев B.B., Карпов С.Ю. Легирование магнием в молекулярно-пучковой эпитаксии нитрида галлия из аммиака // ФТП. -2004.-V. 38.-С. 151-152.

132. Schubert Е. F., Grieshaber W., Goepfert I. D. Enhancement of deep acceptor activation in semiconductors by superlattice doping // Appl. Phys. Lett. -1996. —V. 69. -pp. 3737-3739.

133. Goepfert I. D., Schubert E. F., Osinsky A., Norris P. E., Faleev N. N. Experimental and theoretical study of acceptor activation and transport properties in p-type AlxGa,xN/GaN superlattices // J. Appl. Phys. -2000. -V. 88. -pp. 20302038.

134. Kumakura K., Makimoto Т., Kobayashi N. Enhanced Hole Generation in Mg-Doped AlGaN/GaN Superlattices Due to Piezoelectric Field // Jpn. J. Appl. Phys. -2000. -V. 39. -pp. 2428-2430.

135. Waldron E. L., Graff J. W., Schubert E. F. Improved mobilities and resistivities in modulation-doped p-type AlGaN/GaN superlattices // Appl. Phys.1.tt. -2001. -V. 79. -pp. 2737-2739.

136. SuperLatticeLightEmittingDiod simulator. Semiconductor Technology Research, Inc., Richmond, 2003.

137. Кузнецов Н.И., Irvine K.G. Вольт-амперные характеристики GaN и AlGaN p-i-n-диодов» // ФТП. -1998. -T. 32. -С. 369-372.

138. Ashley К. L., Milnes A. G. Double Injection in Deep-Lying Impurity Semiconductors // J. Appl. Phys. -1964. -V. 35. -pp. 369-374.

139. Алферов Ж. И., Казаринов Р. Ф. / Авт. свид. СССР № 181737 1963.

140. Nakamura S., Pearton S., Fasol G. The Blue Laser Diode. -Berlin: Springer, 1997.-388 p.

141. Tanaka S., Iwai S., Aoyagi Y. Self-assembling GaN quantum dots on AlxGai.xN surfaces using a surfactant // Appl. Phys. Lett. -1996. -V. 69. -pp. 4096-4098.

142. Daudin В., Widmann F., Feuillet G., Samson Y., Arlery M., Rouviere J. L. Stranski-Krastanov growth mode during the molecular beam epitaxy of highly strained GaN // Phys. Rev. B. -1997. -V. 56. -pp. R7069-R7072.

143. Widmann F., Daudin В., Feuillet G., Samson Y., Rouvie're J. L., Pelekanos N. Growth kinetics and optical properties of self-organized GaN quantum dots // J. Appl. Phys. -1998. -V. 83. -pp. 7618-7624.

144. Hirayama H., Aoyagi Y., Tanaka S. Fabrication of Self-Assembling AlGaN Quantum Dot on AlGaN Surfaces Using Anti-Surfactant // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res.-1999. -V. 4SI. -p. G9.4.

145. Grandjean N., Massies J., Semond F., Karpov S. Yu., Talalaev R. A. GaN evaporation in molecular-beam epitaxy environment // Appl. Phys. Lett. -1999. -V. 74.- 1854-1856.

146. Hirayama H., Enomoto Y., Kinoshita A., Hirata A., Aoyagi Y. Efficient 230- ^ 280 nm emission from high-Al-content AlGaN-basedmultiquantum wells // Appl. Phys. Lett. -2002. V. 80. -pp. 37-39.

147. Fiorentini V., Bernardini F. Effects of macroscopic polarization in III-V nitride multiple quantum wells // Phys. Rev. -1999. -V. 60. -pp. 8849-8858.

148. Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

149. Борисов Б. А., Никишин С. Н., Курятков В. В., Кучинский В. И., Holtz М., Temkin Н. Повышенная излучательная рекомбинация квантовых ям AlGaN, выращенных методом молекулярно пучковой эпитаксии // ФТП.-2006.-Т. 40.-С. 460-463.

150. Borisov В., Nikishin S., Kuryatkov V., Temkin Н. Enhanced Deep UV Luminescence From AlGaN Quantum Wells Grown in 3D Mode // Appl. Phys. Lett.-2005.-V. 87.-n. 191902.

151. Borisov В., Kuryatkov V., Kudryavtsev Yu., Asomoza R., Nikishin S., Holtz M., Temkin H. Si-doped AlxGa^N (0.56 < x < 1) layers grown by molecular beam epitaxy with ammonia // Appl. Phys. Lett.-2005.-V. 87.-n. 132106.

152. Nikishin S., Borisov B., Kuryatkov V., Usikov A., Dmitriev V., Holtz M. Deep UV AIGaN light emitting diodes grown by gas source molecular beam epitaxy on sapphire and AlGaN/sapphire substrates //Proc. of SPIE-2006-V. 6121.-n. 0T.

153. Nikishin S., Borisov B., Kuryatkov V., Holtz M., Temkin H. Short-period AIGaN based superlattices for deep UV light emitting diodes grown by gas source molecular beam epitaxy // Mat. Res. Soc. Symp. Proc.-2006.-V. 892.-n. FF01-FF06.

154. Nikishin S. A., Borisov B. A., Chandolu A., Kuryatkov V. V., Temkin H., Holtz M., Mokhov E. N., Makarov Yu., Helava H. Short-period superlattices of AlN/Al0.08Ga0.92N grown on A1N substrates // Appl. Phys. Lett.-2004.-V. 85.—pp. 4355-4357.

155. Nikishin S. A., Kuryatkov V. V., Chandolu A., Borisov B. A., Kipshidze G. D., Ahmad I., Holtz M., Temkin H. Deep Ultraviolet Light Emitting Diodes Based on Short Period Superlattices of AlN/AlGa(In)N // Jpn. J. Appl. Phys.-2003-V. 42 pp. L1362-L1365.

156. Kuryatkov V., Zhu K., Borisov B., Chandolu A., Gherasoiu Iu., Kipshidze

157. G., Chu S. N. G., Holtz M., Kudryavtsev Yu., Asomoza R., Nikishin S., ¿¿K Temkin H. Electrical properties of p-n junctions based on superlattices of AlN/AlGa(In)N // Appl. Phys. Lett-2003.-V. 83-pp. 1319 -1321.

158. Kipshidze G., Kuryatkov V., Zhu K., Borisov B., Holtz M., Nikishin S., Temkin H. AIN/AlGalnN superlattice light-emitting diodes at 280 nm // J. Appl. Phys.-2003-V. 93.-pp. 1363-1366.

159. Kipshidze G., Kuryatkov V., B. Borisov, Nikishin S., Holtz M., Chu S. N. G., Temkin H. Deep ultraviolet AlGalnN-based light-emitting diodes on Si(lll) and sapphire // Phys. Stat. Sol. (a).-2002.-V. 192.-pp. 286-291.

160. Kipshidze G., Kuryatkov V., Borisov B., Holtz M., Nikishin S., Temkin H., AlGalnN-based ultraviolet diodes grown on Si (111) // Appl. Phys. Lett.-2002-V. 80-pp. 3682-3684.

161. Holtz M., Kipshidze G., Chandolu A., Yun J., Borisov B., Kuryatkov V., Zhu K., Chu S. N. G., Nikishin S. A., Temkin H. Preparation of Optoelectronic Devices Based on AIN/AlGaN Superlattices // Mat. Res. Soc. Symp. Proc.-2002.-V. 744.-n. M10.1.