Особенности катодолюминесценции полупроводниковых структур на основе AlInGaN тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА Яна Вениаминовна

ОСОБЕННОСТИ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ AlInGaN

Специальность: 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 В СЕН 2013

Санкт-Петербург - 2013

005533667

005533667

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук

заведующий лабораторией, ФТИ им. А.Ф Иоффе Заморянская М.В.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор

профессор кафедры Физики полупроводников

и наноэлектроники СПбГПУ Воробьёв Л.Е.

кандидат физ.-мат. наук

старший научный сотрудник, ФТИ им. А.Ф Иоффе Лундин В.В.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский Государственный Университет

Защита состоится "17" октября 2013 г. в 10:00 час. на заседании диссертационного совета Д002.205.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук по адресу 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан "10" сентября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, Д.002.205.02 доктор физико-математических наук ЦМ^ Сорокин Л.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Широкозонные полупроводниковые нитриды третьей группы (III-N) с прямыми оптическими переходами являются ключевым материалом современной опто-электроники. Возможность регулирования ширины запрещенной зоны соединений III-N от 6.20 эВ для A1N до 3.49 эВ и 0.65 эВ для GaN и InN, соответственно, дает уникальный шанс реализации единой технологии изготовления приборов, работающих в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой (210 нм) до инфракрасной (1700 нм) областей спектра [1]. Дополнительным достоинством этих материалов является их высокая химическая стойкость. На сегодняшний день уже широко применяются различные оптоэлектронные приборы на основе III-N соединений, включая светодиоды, работающие как источники белого света для бытового и уличного освещения, полноцветные дисплеи, инжекционные лазеры для хранения информации, медицинских приложений, связи и т.д. Кроме того, на основе этих материалов уже выпускаются высокомощные и высокочастотные транзисторы, диоды и фотодетекторы с уникальными параметрами.

Однако, несмотря на беспрецедентно быстрое развитие технологий III-N и достигнутые за последние 20 лет успехи в создании различных приборов, ряд проблем в этой области остается нерешенным. Эти трудности в первую очередь связаны со значительным различием в параметрах решетки GaN-InN-AIN и отсутствием коммерчески доступных гомоэпитаксиальных подложек. Необходимость гетероэпитаксиального роста на подложках сапфира, карбида кремния и др., рас-согласующихся по параметру решетки и отличающихся по температурным коэффициентам расширения по сравнению с III-N, приводит к высокой плотности дислокаций в растущих слоях (~108 см'2 и выше), возникновению механических напряжений и изгибу растущего слоя, вплоть до растрескивания структуры. Различие длин связей в кристаллической решетке тройных и четверных соединений может приводить к термодинамической нестабильности твердого раствора в отношении спинодального фазового распада, образованию флуктуации состава, атомарному упорядочению и др. Вследствие различных энергий связи в системе материалов GaN-AlN-InN рост тройных и четверных соединений на их основе часто сопровождается сегрегационными эффектами, затрудняющими формирование заданного профиля изменения состава в сложных гетероструктурах. В дополнение к вышесказанному необходимо отметить, что, как правило, соединения III-N со структурой вюрцита растят в направлениях, перпендикулярных плоскости (0001). В таком случае в ростовом направлении в нитридных соединениях проявляются эффекты спонтанной и пьезоэлектрической поляризации, причем напряженность суммарного электрического поля в слоях и гетероструктурах может достигать значительных величин (до ~107 В/см).

Перечисленные факторы и особенности строения материала затрудняют контролируемый рост слоев III-N соединений во всем диапазоне изменения их состава и обуславливают резкое снижение эффективности излучательной рекомбинации в

светодиодных гетероструктурах, работающих в проблемных зелено-красной и ультрафиолетовой спектральной областях (с длинами волн больше 500 нм и меньше 360 нм, соответственно). Кроме того, для всех выпускаемых светодиодов на основе Ш-И соединений существенными проблемами являются падение внутреннего квантового выхода при увеличении плотности тока и деградация люминесцентных свойств в процессе работы.

Для успешной разработки оптоэлектронных светодиодных и лазерных излучателей на основе Ш-К соединений необходимы детальные исследования процессов формирования активной области в гетероструктурах, транспорта носителей заряда в них и тщательное изучение влияния точечных и протяженных дефектов на люминесцентные свойства и деградацию приборов. Необходимо отметить, что уникальный характер большинства явлений в соединениях Ш-К по сравнению с традиционными соединениями III-V приводит к необходимости разработки новых экспериментальных методов, позволяющих получать корректные данные о структуре, составе и люминесцентных свойствах материала. В противном случае, использование стандартных методик может оказаться не только недостаточным и ограниченным узким диапазоном изменения параметров слоев, но и приводить к неоднозначной и ошибочной интерпретации экспериментальных данных по составу, толщинам слоев и т.п. Поэтому задача разработки новых методик для исследования нитридных соединений является актуальной. Такие методики необходимы и для более детального понимания оптических, электронных и структурных свойств гетерострукгур на основе соединений Ш-М, оптимизации их дизайна и характеристик с целью преодоления множества ограничений и проблем, существующих в современных технологиях эпитаксиального роста.

Целью работы является определение влияния состава, напряжений, фазового распада на оптические свойства и стабильность люминесценции слоев и структур на основе нитридов Ш-ЬГ.

Были поставлены следующие задачи:

Разработка методик рентгеноспектрального микроанализа определения неоднородности состава слоев Ш-Ы в ростовом направлении, состава и глубины залегания наноразмерных слоев, оценки плотности и состава квантовых точек в многослойных гетероструктурах.

Исследование распределения индия в ростовом направлении и изучение оптических свойств слоев 1пОаЫ различной толщины.

• Исследование влияния флуюгуаций состава в активной области на люминесцентные свойства светодиодных и лазерных гетероструктур.

Оценка величины пьезополей в структурах с квантово-размерными слоями по данным катодолюминесценции.

■ Определение характера изменения интенсивности люминесценции при непрерывном облучении электронным пучком слоев и гетероструктур III-N, установление основных закономерностей этого процесса.

Научная новизна работы:

Разработана методика для изучения неоднородности состава в ростовом направлении в слоях III-N методами рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и катодолюминесценции (KJI) при варьировании энергии электронного пучка. Показана возможность определения с точностью не хуже 10% относительных состава и положения наноразмерных слоев, залегающих на глубине до ~ 500 +2000 нм. Продемонстрирована возможность оценки плотности квантовых точек III-N методом РСМА.

Обнаружен эффект увеличения концентрации индия в ростовом направлении (приповерхностное In-обогащение) в слоях InxGai_xN (х ~ 0.1 + 0.2) толщиной 100 нм и более, растущих когерентно буферному слою GaN. Показано, что градиент концентрации индия в ростовом направлении приводит к формированию In-обогащенных областей, приводящих к значительным изменениям спектров KJI.

Предложена методика, позволяющая по характеру изменений спектров KJI при изменении плотности тока первичного электронного пучка определять наличие фазового распада и оценивать величину электрического поля в активной области гетероструктуры.

Изучен эффект зависимости интенсивности катодолюминесценции от времени при непрерывном облучении электронным пучком. Показано, что этот эффект наблюдается как в объемных слоях, так и в гетероструктурах. Нарастание интенсивности KJI связано с захватом носителей заряда на состояния ловушек, формирующиеся вблизи интерфейса квантовая яма — барьерный слой или в приповерхностной области (толщиной не более 50 нм) объемного слоя. Показано, что процесс захвата носителей заряда на состояния ловушек носит обратимый характер. Предложена модель, количественно описывающая наблюдаемое явление.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложены и апробированы методики определения состава тонких и наноразмерных слоев в структурах на основе III-N, оценки электрических полей в активной области структуры и определения флуктуаций состава в тонких слоях. Данные методики позволяют проводить диагностику выращиваемых структур неразрушающим методом, не требующим специальной пробоподготовки, изучать локальные неоднородности структур в латеральном и ростовом направлениях.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Состав и глубина залегания слоев и квантовых ям AlInGaN, толщиной от 3 нм до нескольких десятков нанометров, могут быть определены методом вариации энергии электронного пучка совместно с математическим моделированием результатов рентгеноспектрального микроанализа. Погрешность определения состава и глубины залегания не хуже 10% относительных, латеральное разрешение не хуже ~ 2 мкм.

Эволюция вида спектра катодолюминесценции и изменение спектрального положения полос излучения наноразмерных слоев при изменении плотности тока первичного электронного пучка позволяет идентифицировать присутствие фазового распада в слое, а в случае его отсутствия — оценить величину электрического поля в активной области структуры.

Вид спектра катодолюминесценции слоев InxGa[.xN (х ~ 0.1 + 0.2) толщиной более 100 нм, характеризующийся значительным смещением в длинноволновую область спектрального положения максимума люминесценции (по сравнению с краем поглощения) и увеличением полуширины, указывает на возникновение градиента концентрации индия в ростовом направлении и сопровождающимся формированием In-обогащенных областей.

• Длительное нарастание интенсивности люминесценции с характерными временами 10-í-100 сек при непрерывном облучении электронным пучком вызвано захватом носителей заряда на состояния ловушек, формирующихся вблизи интерфейсов в гетероструктурах или в приповерхностной области объемного слоя, толщиной не более 50 нм.

Процесс захвата носителей заряда на уровни ловушек носит обратимый характер. Высвобождение носителей заряда происходит при нагреве образца до температуры 130 180°С на воздухе в течение 30 мин.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных школах, конференциях и симпозиумах: VIII, XI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2006,2009); 10th European Workshop on Modern Developments and Applications in Microbeam Analysis (Antweip, Belgium, 2007); XV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 2007); 12th, 13th International Conference in Defects-Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (Berlin, Germany, 2007; Wheeling, West Virginia, USA, 2009); XII, XIII Международный ежегодный симпозиум "Нанофизика и наноэлек-троника" (Нижний Новгород, 2008, 2009); XXII Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2008); 9th, 10th, 11th International Workshop on Beam Injection Assessment of Microstructures in Semiconductors (Toledo, Spain, 2008; Halle (Saale), Germany 2010; Annaba, Algeria, 2012); 1-й, 2-й Международный

конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологийв рамках Международного форума по нанотехнологиям "Rusnanotech" (Москва, 2008,2009); 25th International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS-25) (St. Petersburg, 2009); Конференция (школа-семинар) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада "ФизикА.СПб" (Санкт-Петербург, 2009); 9th Regional Workshop on Electron Probe Microanalysis Today: Practical Aspects (Amsterdam, the Netherlands, 2010); 2-й Симпозиум "Полупроводниковые лазеры: физика и технология" (Санкт-Петербург, 2010); 8-я, 9-я Всероссийская конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы" (Санкт-Петербург, 2011; Москва, 2013); 11th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (St. Petersburg, 2011); 4th International Symposium on Growth of Ill-Nitrides (ISGN-4) (St. Petersburg, 2012); International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN-2012) (Sapporo, Japan, 2012); Российская молодёжная конференция по физике и астрономии (Санкт-Петербург, 2012) (приглашенный).

Публикации. Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 11-ти печатных работах в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 153 наименований. Общий объём работы — 139 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, определены цель и задачи, изложена новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные защищаемые положения.

В первой главе представлен обзор современного состояния работ по изучению свойств нитридов, приведены их важнейшие свойства. Основное внимание уделено методам изучения пьезополей и напряжений в III-N, причинам и особенностям фазового распада в многослойных гетероструктурах. Представлены имеющиеся данные по изучению длительного изменения интенсивности люминесценции в III-N, отдельно рассмотрены вопросы влияния поверхностных состояний и ловушек на люминесценцию нитридов.

Вторая глава посвящена экспериментальным методам, используемым в работе, выявлению методологических проблем, связанных с используемым оборудованием, а также описанию разработанных методик определения состава и анализа люминесцентных данных.

Все экспериментальные результаты были получены на рентгеноспектральном микроанализаторе "Camebax" (Cameca), совмещенном с катодолюминесцентной (KJI) системой [1].

В первом разделе описываются разработанные методики определения состава тонких и наноразмерных слоев. Состав эпитаксиальных слоев определялся методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). Для определения состава тонких слоев толщиной 10—100 нм, расположенных на поверхности массивного образца, использовались расчеты глубины генерации характеристического рентгеновского излучения, полученные методом Монте-Карло [А4] или в программе CASINO [2]. Расчет глубины проникновения необходим для корректного определения состава тонких слоев. Сопоставление данных, полученных при различных энергиях электронного пучка, позволяет судить об однородности слоев толщиной ~100 нм и более.

Для определения состава тонких слоев или квантовых ям (КЯ), расположенных на некоторой глубине в многослойной структуре, была разработана методика, базирующаяся на измерениях относительной интенсивности характеристического рентгеновского излучения при различных энергиях электронного зонда [А4, А5]. Данная методика позволяет определять состав одиночных или множественных квантовых ям (КЯ), барьерных слоев, оценивать плотность квантовых точек.

Во втором разделе второй главы дается краткое описание модели расчета области транспорта носителей заряда по измерениям спектров катодолюминесцен-ции [3]. В модели используются распределения неравновесных носителей заряда, полученные из распределений потерь энергии электронов по глубине, рассчитанных для различных энергий электронного пучка. Экспериментальную зависимость интенсивности KJI от энергии электронного пучка необходимо получать при условии постоянной плотности возбуждения. В результате моделирования определяются размеры области транспорта носителей заряда в активную область.

Последний раздел второй главы посвящен изучению факторов, влияющих на уменьшение интенсивности KJI при непрерывном облучении электронным пучком. Основными факторами являются нагрев образца и осаждение углеводородной пленки из остаточных газов в камере. Экспериментально показано, что величина нагрева в структурах III-N при типичных условиях проведения измерений KJI не превышает 30 К и, следовательно, нагрев образца не играет значительной роли при стационарном облучении электронным пучком. Показано, что скорость осаждения пленки составляет ~ 0.03 нм/сек, что приводит к падению интенсивности катодо-люминесценции с характерными временами порядка десятков — сотни секунд.

В третьей главе описан комплексный подход для исследования слоев и структур на основе нитридов AlInGaN, основанный на совместном использовании локальных методов РСМА и KJI, позволяющий определять состав и люминесцентные свойства тонких неоднородных слоев неразрушающим способом.

Измерения РСМА использовались для определения однородности состава слоев в ростовом направлении. Было обнаружено, что в слоях InxGai.xN толщиной 160-300 нм в приповерхностной области толщиной ~ 50 нм наблюдается увеличение концентрации индия. Поэтому в первом разделе второй главы приведены результаты изучения влияние толщины слоя на однородность распределения кон-

центрации индия в слоях различной толщины. Для этого были выбраны серии образцов близкого состава.

В слоях с малым содержанием индия (х ~ 0.1) был сделан следующий вывод о влиянии толщины слоя на спектры КЛ. Чем больше толщина слоя, тем более неоднородное распределение индия наблюдается в ростовом направлении. При этом люминесценция, соответствующая переходу зона-зона в слое малой толщины (70 нм) явно выражена. При увеличении толщины (136 нм) полоса люминесценции, связанная с переходом зона-зона, появляется только при высокой удельной мощности возбуждения, а при дальнейшем увеличении толщины (230 нм) эта полоса подавлена (Рисунок 1). Неоднородное вхождение индия приводит к локализации носителей заряда в областях с повышенным содержанием индия. Это проявляется в значительном изменении КЛ свойств: в спектре наблюдается люминесценция преимущественно только от 1п-обогащенных областей, в связи с чем максимум интенсивности КЛ спектра сдвигается в красную область. Если доля областей с повышенной концентрацией индия (относительно окружающей матрицы) не очень высока, то при высокой удельной мощности возбуждения методом КЛ удается "насытить" области с повышенной концентрацией 1п, что проявляется следующим образом: спектр уширяется, при этом на спектре появляются новые плечи в более высокоэнергетической области (Рисунок 2). Итого, значительная толщина слоев приводит к появлению и усилению неоднородного распределения 1п в слое, увеличению доли областей с повышенным содержанием 1п. Это, в свою очередь, приводит к изменению спектров КЛ: увеличению полуширины полос и изменению спектрального положения полос КЛ.

Энергия, эВ

Рисунок 1. Спектры КЛ слоев 1п„Са|.хЫ (х~0.1) различной толщины. При малой толщине слоя спектр состоит из узкого пика с максимумом 3.17 эВ, соответствующего переходу зона-зона, и широкой полосы с максимумом —2.9 эВ (глубокие центры). При увеличении толщины слоя наблюдается смещение спектрального положения, ушире-ние и структурированность полосы люминесценции.

а =136нм Г

Г •« \ Плотность

0.8 ( *Д \ возбуждения: 1 V, \ .....16 Вт/см2

0.6 '.Л-----160 вт/смг

0.4 "■ Д- 1300 Вт/см' I

0.2

0.0 ■ • .......

-1_I_I_I_I_I_._I_._I_._I_._I_

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4

Энергия, эВ Рисунок 2. Спектры КЛ слоя 1пхОа1.„Ы (х~0.1, (1 = 70 нм). При увеличении плотности возбуждения наблюдается уширение полосы КЛ, появление плеч в более высокоэнергетической области и увеличение интенсивности полосы с максимумом -3.17 эВ, соответствующего переходу зона-зона в слое Ino.1Gao.9N. Широкая полоса люминесценции (~ 2.6 эВ) связана с люминесценцией из областей с повышенным содержанием индия.

Описанные особенности КЛ ярче проявились в слоях 1пхСа1.хК с более высокой концентрацией 1п (х ~ 0.2). В этом случае полоса, связанная с переходом зона-зона, наблюдалась в КЛ спектре только при низких температурах (77 К) и высокой плотности накачки (1300 Вт/см2) только в слое малой толщины (60 нм). При увеличении концентрации индия и толщины слоев также наблюдается увеличение градиента концентрации индия в ростовом направлении. Спектры КЛ слоев значительно уширены и структурированы.

В толстых слоях, в которых наблюдалось приповерхностное обогащение индием по данным РСМА (с! ~ 200-300 нм), были изучены спектры КЛ при различных энергиях электронного зонда. Это позволило изучить зависимость КЛ свойств от глубины проникновения электронного пучка, а также влияние приповерхностного 1п-обогащения на КЛ свойства. Было обнаружено, что при уменьшении энергии зонда до 1 кэВ, то есть в условиях, когда возбуждается лишь верхний приповерхностный слой толщиной 20 нм, наблюдается изменение КЛ спектра, сопровождающееся смещением спектрального максимума спектра в красную область. Аналогичное изменение спектров КЛ при уменьшении глубины проникновения электронного пучка наблюдалось также в слоях средней толщины (с1 ~ 130 нм), однородных по составу в пределах чувствительности метода РСМА.

Для толстых слоев были получены данные рентгеновской дифрактометрии (РД). Известно, ЧТО в СЛОЯХ 1пхОа].хН при увеличении толщины слоя происходит переход от когерентного роста слоя к некогерентному [4]. Измерения состава методом РСМА позволили сделать вывод о степени релаксации слоев. Для этого сопоставлялись данные о среднем составе слоя по результатам РСМА и РД (Таблица 1). В случае определения концентрации 1п в слое по данным РД рассматривались два предположения: когерентный рост слоя (Я = 0) и полная релаксация слоя (Я = 1). Было обнаружено, что в ряде слоев наблюдается когерентный рост слоя 1пОаМ, несмотря на значительную толщину слоя. При этом в этих слоях наблюдалось неравномерное распределение индия в ростовом направлении. Было показано, что в исследуемых слоях наличие градиента концентрации 1п в ростовом направлении сопровождается когерентным ростом слоев даже значительной толщины.

Таблица 1. Параметры слоев: концентрация индия в слое по данным РСМА и РД в предположении различной степени релаксации слоев, толщина слоев.

Слой Содержание 1п, х Степень релаксации Я Толщина, нм

РСМА РДА(Я = 0) РДА(Я=1)

с151а 0.09 0.085 0.19 Я = 0 136

с151Ь 0.14 0.145 0.23 Я = 0

с151с 0.18 0.175 0.25 Я = 0

с 146а 0.13 0.13 0.21 Я = 0 230

с146Ь 0.23 0.18; 0.24 0.30; 0.40 0<Я< 1

с146с 0.26 0.19; 0.25 0.31; 0.42 0<Я< 1

Во втором разделе третьей главы представлены результаты изучения влияния флуктуаций состава и фазового распада активной области гетероструктуры на спектры КЛ.

В случае значительных флуктуаций состава, связанных с фазовым распадом КЯ спектры КЛ значительно уширены и структурированы. При изменении плотности возбуждения спектральный сдвиг полос КЛ отсутствует, при этом увеличивается относительная интенсивность более высокоэнергетических плеч (Рисунок 3). В случае отсутствия флуктуаций состава КЯ спектр состоит из одной узкой полосы, причем при увеличении плотности возбуждения наблюдается синий сдвиг люминесценции (Рисунок 4).

Синий сдвиг люминесценции при увеличении плотности возбуждения в структурах с КЯ, в которых нет флуктуаций состава, связан с частичным экранированием пьезополя в КЯ из-за большого количества носителей заряда в активной области. Величина сдвига составляет 30 50 мэВ. При малых плотностях возбуждения (менее 1 Вт/см2) положение максимума КЛ практически неизменно. Увеличение плотности возбуждения приводит к плавному синему спектральному сдвигу положения максимума КЛ. Дальнейшее увеличение плотности возбуждения (100 Вт/см2 и более) не приводит к изменению спектрального положения максимума КЛ, то есть достигается насыщение синего сдвига положения КЛ. Был сделан расчет величины пьезополя в квантовой яме, исходя из предположения, что при максимальной плотности возбуждения происходит полная экранировка пьезополя [А8]. Показано, что катодолюминесцентные измерения при различных плотностях возбуждения позволяют оценить величину пьезоэлектрического поля в КЯ.

2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 Энергия, эВ

Рисунок 3. Спектры КЛ в зависимости от плотности возбуждения в структуре с флуктуация-ми состава в КЯ In.iGai.xN. При увеличении плотности возбуждения происходит увеличение относительной интенсивности высокоэнергетических плеч спектра.

2.4 2.5 2.8 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Энергия, эВ Рисунок 4. Синий сдвиг спектрального положения максимума КЛ при увеличении плотности возбуждения в структуре без флуктуаций состава в КЯ 1пхСа|.,Ы. На вставке: зависимость положения максимума полосы КЛ от плотности возбуждения.

В четвертой главе обсуждаются процессы медленного изменения люминесценции нитридов при непрерывном облучении электронным пучком (процессы с характерными временами единицы-десятки минут).

В работе исследовались образцы, выращенные различными методами (молеку-лярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота РА МВБ, МОС-гидридной эпитаксией MOCVD и хлоридно-гидридной газофазной эпитаксии HVPE).

Первый раздел четвертой главы посвящен изучению объемных слоев GaN. Во всех слоях наблюдалось изменение интенсивности KJI как переходов, связанных с переходом зона-зона (3.4 эВ), так и с "желтой" полосой люминесценции (2.2 эВ), связанной с переходом из зоны проводимости или мелкого донора на глубокий акцептор (вакансию галлия Vq» или ее комплекс с кислородом УсаОк [5]). Типичные характерные времена изменения люминесценции составляют десятки-сотни секунд и вплоть до нескольких минут (Рисунок 5). В работе изучался процесс увеличения интенсивности KJI ("разгорание").

Было обнаружено, что поведение интенсивности KJI зависит от условий облучения электронным пучком. Явление разгорания наблюдалось только при малых энергиях электронного пучка (1 5 кэВ), когда глубина проникновения электронного пучка составляет не более 20 100 нм. При этом наиболее ярко эффект проявлялся при энергии 1 кэВ, а при превышении энергии 5 кэВ эффект не наблюдался. Поэтому был сделан вывод, что изучаемый эффект увеличения интенсивности люминесценции связан с приповерхностной областью образца толщиной менее 50 нм.

Время, сек

Рисунок 5. Медленное изменение интенсивности КЛ в объемных слоях БаЫ при температурах 300 К и 77 К.

Время, сек

Рисунок 6. Медленное изменение интенсивности КЛ в гетероструктурах АЮаЫ при температурах 300 К и 77 К.

Во втором разделе четвертой главы приведены результаты изучения процессов медленного разгорания интенсивности в гетероструктурах (Рисунок 6). Была поставлена задача определить, наблюдается ли этот процесс в слоях, расположенных на глубине; то есть определить влияние интерфейсов на интенсивность КЛ при непрерывном облучении электронным пучком.

Была детально исследована серия структур на основе АЮаК различного дизайна с квантовой ямой, расположенной на глубине 75 нм, а именно изучался процесс стабильности люминесценции квантовой ямы А^Са^Ы.

Сначала были изучены КЛ свойства гетероструктур и построены зависимости интенсивности КЛ отдельных полос от энергии электронного пучка. Полученные результаты позволили разделить изучаемые структуры на две группы: в первой группе структур размеры области транспорта носителей заряда превышали размеры активной области. Во второй группе структур размеры области транспорта носителей заряда составляли не более 10 нм. Моделирование размеров области транспорта носителей заряда в этой группе структур дало основания предположить, что в них происходит захват носителей заряда на метастабильные состояния и центры безызлучательной рекомбинации, находящиеся вблизи интерфейсов квантовая яма — барьерный слой.

Для двух серий структур были изучены временные зависимости КЛ. В структурах первой группы интенсивность КЛ не менялась в течение длительного времени. В структурах второй группы наблюдалось значительное возрастание интенсивности КЛ. Так как влияние поверхностных состояний на квантовую яму, расположенную на глубине 75 нм, пренебрежимо мало, то было сделано предположение, что причина медленного увеличения интенсивности связана с дефектами вблизи интерфейсов квантовая яма — барьерный слой.

В третьем разделе четвертой главы обсуждается природа наблюдаемого явления увеличения интенсивности КЛ при непрерывном облучении электронным пучком. Были рассмотрены различные процессы, которые могут приводить к возрастанию интенсивности люминесценции: формирование дефектов под электронным пучком, диффузия центров безызлучательной рекомбинации или примесей, отжиг дефектов. Показано, что эти процессы не могут приводить к наблюдаемому эффекту.

Был сделан вывод, что наиболее вероятный механизм увеличения интенсивности КЛ при непрерывном облучении электронным пучком связан с захватом носителей заряда на уровни ловушек вблизи поверхности объемных слоев или интерфейсов гетероструктур. Если носители заряда захватываются на эти состояния, и энергия активации этих уровней достаточной высока, то носители могут быть захвачены на такие уровни на продолжительное время даже при комнатной температуре.

Было сделано предположение, что в случае, если захват заряда происходит вблизи интерфейса между квантовой ямой и барьерным слоем, то этот процесс влияет на спектральные свойства образца еще и за счет частичного экранирования пьезополей в квантовой яме. Экранирование поля приводит к увеличению интенсивности люминесценции квантовой ямы и синему спектральному сдвигу положения максимума люминесценции. Именно такой эффект наблюдался в структурах, в которых присутствовало сильное пьезоэлектрическое поле и наблюдался процесс увеличения интенсивности КЛ КЯ при непрерывном облучении.

Были сделаны опьггы по изучению обратимости наблюдаемого явления и восстановлению люминесцентных свойств. После нагрева в атмосфере до температуры 130 -5- 180°С в течение ~ 30 минут происходило полное восстановление люминесцентных свойств облученной области как в объемных слоях, так и в гетеро-структурах.

Была предложена модель наблюдаемого явления на базе модели, описанной в работе [6]. За счет облучения электронным пучком в образце возникают электронно-дырочные пары. Скорость наблюдаемых процессов на несколько порядков меньше скорости излучательной рекомбинации. Следовательно, на характерных временах изучаемого процесса (единицы-сотни секунд) можно рассматривать концентрацию носителей заряда в зоне проводимости как равновесную для медленных процессов захвата носителей заряда на уровни ловушек. Таким образом, можно считать, что на изменение концентрации носителей заряда в зоне проводимости оказывает влияние только процесс захвата носителей на ловушечный уровень (вероятность захвата /V) и термическое высвобождение носителей с ловушечного уровня обратно в зону проводимости (вероятность выброса Ят). Вероятность захвата носителей заряда на ловушечный уровень зависит от плотности тока ./ и эффективности захвата Ь [6]. Тогда можно записать следующее уравнение для концентрации носителей заряда на ловушечном уровне пт:

¿п

—- = Р(ЛГ -п ) - л п

Г у Г т ' г г

л

где концентрация ловушечных уровней. Медленное изменение интенсивности катдолюминесценции I, подчиняется следующему уравнению:

I ~

Ргр + /?у.

пг

Иг

0 2.2еУ

Рисунок 7. Модель разгорания люминесценции при непрерывном облучении электронным пучком.

Было получено и проверено несколько следствий из предложенной модели. Было теоретически и экспериментально показано, что время разгорания обратно пропорционально зависит от плотности тока электронного пучка ./. Из температурных измерений времени разгорания была сделана оценка энергии активации ловушечного уровня, которая составила 50 25 мэВ. Было показано, что концентрация ловушек не меняется от плотности тока или температуры.

Основные результаты и выводы

1. Предложен и апробирован метод определения состава тонких слоев, одиночных и множественных квантовых ям по измерениям рентгеноспектрального микроанализа при вариации электронного пучка. Показана возможность определения состава и глубины залегания наноразмерных слоев толщиной от 3 нм с точностью не хуже 10% относительных. Впервые продемонстрирована возможность

оценивать плотность квантовых точек III-N методом рентгеноспектрального микроанализа.

2. Обнаружено, что при увеличении толщины слоя InGaN происходит образование градиента концентрации индия в ростовом направлении. Неравномерное распределение концентрации индия в ростовом направлении приводит к уменьшению сжимающих напряжений между растущими слоями и когерентному росту таких слоев. Этот процесс сопровождается формированием In-обогащенных областей в области градиента концентрации, определяющих вид катодолюминесцент-ных спектров.

3. Предложен метод изучения неоднородного распределения индия и степени релаксации слоев на основании данных РСМА, KJI и РД. Данная методика позволяет определять неоднородность вхождения индия в приповерхностных слоях толщиной от 20 нм и исследовать зависимость люминесцентных свойств в ростовом направлении. Измерена величина приповерхностного обогащения индием в слоях толщиной 10(Н- 200 нм.

4. Изучено влияние пьезополей на спектры катодолюминесценции в лазерных и светодиодных гетероструктурах, предложен способ оценки величины пьез-ополя по спектрам KJI. Показано, что сдвиг полосы KJI при увеличении плотности возбуждения связан с экранированием электрического поля в квантовой яме носителями заряда.

5. Изучен эффект зависимости интенсивности катодолюминесценции от времени при непрерывном облучении электронным пучком. Показано, что этот эффект наблюдается как в объемных слоях, так и в гетероструктурах. Нарастание интенсивности люминесценции связано с захватом носителей заряда на состояния ловушек, формирующиеся вблизи интерфейсов или в приповерхностной области объемного слоя, толщиной не более 50 нм.

6. Показано, что процесс захвата носителей заряда на уровни ловушек носит обратимый характер, для освобождения носителей необходимо нагреть образец до температуры ~180°С. Показано, что наличие ловушек коррелирует с уменьшением размеров области транспорта носителей заряда в активную область гетерострукту-ры. Изучено влияние пьезополей в гетероструктурах на процесс захвата носителей на уровни ловушек. Сделана оценка энергии активации ловушечного уровня в гетероструктурах. Дано объяснение временной динамике катодолюминесценции. Предложена и проанализирована модель, описывающая данное явление.

Список публикаций по теме диссертации:

[Al] Ya.V. Domracheva. L.A. Bakaleinikov, E.Yu. Flegontova, V.N. Jmerik, T.B. Popova, M.V. Zamoryanskaya "Investigation of In^Ga^N Layers by Local Methods" // Mikrochimica Acta 161 (2008) 3-4, 371-375.

[A2] B.H. Жмерик, A.M. Мизеров, T.B. Шубина, Д.С. Плотников, M.B. Замо-рянская, М.А. Яговкина, Я.В. Домрачева. A.A. Ситникова, C.B. Иванов "Особенности пространственного распределения In в эпитаксиальных слоях InGaN, выра-

щенных молекулярно-пучковой эпитаксией с плазменной активацией" // Физика и техника полупроводников 42 (2008) 5, 630-638.

[A3] Ya.V. Domracheva. V.N. Jmerik, T.B. Popova, M.V. Zamoryanskaya "Ca-thodoluminescent investigations of InxGai.xN Layers" // Journal of Materials Science: Materials in Electronics 19 (2008) 1, 319-323.

[A4] JI.A. Бакалейников, Я.В. Домрачева. M.B. Заморянская, E.B. Колесникова, Т.Б. Попова, Е.Ю. Флегонтова. "Послойный рентгеноспектральный микроанализ полупроводниковых структур методом вариации энергии электронного зонда" // Физика и техника полупроводников 43 (2009) 4,568-573.

[А5] Я.В. Домрачева. М.В. Заморянская, Т.Б. Попова, Е.Ю. Флегонтова "Исследование многослойных светодиодных гетерострукхур на основе InGaN/GaN методами рентгеноспектрального анализа и катодолюминесценции" // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования 8 (2009) 1-7.

[А6] M.V. Zamoryanskaya, Ya.V. Domracheva. A.A. Shakhmin, D.B. Shustov, A.N. Trofimov, S.G. Konnikov "Local cathodoluminescence study of defects in semiconductors and multilayer structures" // Physica В 404 (2009) 5042-5044.

[A7] M.V. Zamoryanskaya, Ya.V. Kuznetsova. T.B. Popova, A.A. Shakhmin, D.A. Vinokurov, A.N. Trofimov, S.G. Konnikov "Study of semiconductor multilayer structures by local methods" // J. of Materials Science: Mat. in Electr. 39 (2010), 6, 620-624.

[A8] Ya.V. Kuznetsova. M.V. Baidakova, E.Yu. Flegontova, A.M. Kuznetsov, A.A. Sitnikova, M.V. Zamoryanskaya "Application of the electron probe microanalysis in nitride-based heterostructures investigation" // Phys. Status Solidi A 208 (2011) 4, 749-753.

[A9] K.G. Belyaev, M.V. Rakhlin, V.N. Jmerik, A.M. Mizerov, Ya.V. Kuznetsova. M.V. Zamoryanskaya, S.V. Ivanov, A.A. Toropov "Phase separation in InxGa:.xN (0.10 < x < 0.40)" // Phys. Status Solidi С 10 (2013) 3, 527-531.

[A10] Ya.V. Kuznetsova. M.V. Zamoryanskaya "Unstable Luminescence of Nitrides under Electron-Beam Irradiation" // JJAP 52 (2013) 08JJ06 1-4.

[All] D.V. Nechaev, P.A. Aseev, V.N. Jmerik, P.N. Brunkov, Ya.V. Kuznetsova. A.A. Sitnikova, V.V. Ratnikov, S.V. Ivanov "Control of threading dislocation density at the initial growth stage of A1N on c-sapphire in plasma-assisted MBE"// J. Cryst. Growth 378,(2013)319-322.

Список использованной литературы:

1. M.V. Zamoryanskaya, etal. Instrum. and Exper. Techn. 47 (2004) 4,477.

2. D. Drouin, et.al. Scanning 29 (2007) 92.

3. A.A. Shakhmin, et.al. Superl. and Microstr. 56 (2013) 27.

4. D. Holec, et.al. J. Appl. Phys. 104 (2008) 123514.

5. M.A. Reshchikov et.al. J. Appl. Phys. 97 (2005) 061301.

6 M.V. Zamoryanskaya, et.al. Opt. and Spectr. 115 (2013) 1,79.

Подписано в печать 05.08.2013 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. . печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ 264

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

На правах рукописи

04201363391

Кузнецова Яна Вениаминовна

ОСОБЕННОСТИ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АШЮаМ

специальность 01.04.10. - физика полупроводников

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н. Заморянская М.В.

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Введение 4

Глава 1. Обзор литературы 11

§1.1 Общие свойства нитридов III группы 11

Кристаллическая решетка 11

Поляризация и пьезоэлектрические поля 13

Изучение пьезоэлектрических полей 16 § 1.2 Фазовый распад и релаксация напряжений в 1п-содержащих нитридах

III группы 20

Особенности фазового распада в соединениях 1п(ОаА1)К 20

Оптические свойства 1пОаК 26 Методы определения состава и влияния фазового распада

наноразмерных слоев кЮаИ 29 § 1.3 Влияние стационарного облучения электронным пучком на

люминесценцию Ш-Ы 32

Роль поверхностных состояний 32 Влияние ловушек на изменение интенсивности люминесценции в

полупроводниках 34 Изменение интенсивности люминесценции при непрерывном облучении

35

Выводы к главе 1 39

Глава 2. Экспериментальные методы и методики 41

§2.1 Экспериментальные методы 41

Явления в твердом теле при облучении электронным пучком 41

Экспериментальная установка 42 §2.2 Определение состава тонких неоднородных слоев и квантовых ям 45

Определение состава тонких слоев 45

Определение состава тонких слоев на глубине 47

Точность определения состава тонких слоев 52

Определение состава одиночной квантовой ямы 53

Определение состава множественных квантовых ям 54

Определение состава слоя квантовых точек 60

§2.3 Анализ КЛ данных с различной глубины 63

Катодолюминесценция 63

Распределение функции генерации катодолюминесценции по глубине

63

Плотность возбуждения и концентрация неосновных носителей заряда

65

Определение области транспорта носителей заряда 66

§2.4 Факторы, влияющие на уменьшение интенсивности люминесценции 68 Нагрев образца 68

Остаточное давление в вакуумной камере 70

Изменение поглощенного тока при непрерывном облучении электронным пучком 76

Выводы к главе 2 78

Глава 3. Влияние толщины слоя и фазового распада на люминесцентные свойства

слоев и гетероструктур In(AlGa)N 79

§3.1 Определение однородности состава тонких слоев 79

Исследуемые слои 79

Приповерхностное In-обогащение в слоях InGaN 81 §3.2 Влияние степени релаксации напряжений и фазового распада на KJI

свойства тонких слоев InGaN 82

Слои с малым содержанием In (х ~ 0.1) различной толщины 82

Слои со средним содержанием In (х ~ 0.25) различной толщины 85

Природа градиента концентрации индия в ростовом направлении 87

Влияние фазового распада на KJI свойства слоев InGaN 91 §3.3 Влияние фазового распада на спектры катодолюминесценции в

светодиодных и лазерных гетероструктурах 93 Влияние фазового распада и флуктуаций состава квантовой ямы на

спектры KJI 94

Спектры KJ1 в структурах с различными электрическими полями 97

Выводы к главе 3 101 Глава 4. Медленное изменение люминесценции нитридов при непрерывном

облучении электронным пучком 103

§4.1 Объемные слои 103

Исследуемые образцы 103

Наблюдаемое явление - общие характеристики 103

§4.2 Гетероструктуры 106

Исследуемые образцы 107

Транспорт носителей заряда в структурах 107 Корреляция между транспортными свойствами гетероструктур и

временными зависимостями KJI 111

§4.3 Природа явления разгорания люминесценции и эффект памяти 113

Природа эффекта 113

Эффект памяти и влияние пьезополей 114

Оценка концентрации ловушек 116 Обратимость явления и возможность восстановления исходных

люминесцентных свойств 118

Модель явления 118

Выводы к главе 4 125

Выводы и заключение 126

Благодарности 128

Список публикаций по теме диссертации 129

Список цитируемой литературы 131

Введение

Широкозонные полупроводниковые нитриды третьей группы (III-N) с прямыми оптическими переходами являются ключевым материалом современной оптоэлектроники. Возможность регулирования ширины запрещенной зоны соединений III-N от 6.20 эВ для A1N до 3.49 эВ и 0.65 эВ для GaN и InN, соответственно, дает уникальный шанс реализации единой технологии изготовления приборов, работающих в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой (210 нм) до инфракрасной (1700 нм) областей спектра [1]. Дополнительным достоинством этих материалов является их высокая химическая стойкость. На сегодняшний день уже широко применяются различные оптоэлектронные приборы на основе III-N соединений, включая светодиоды, работающие как источники белого света для бытового и уличного освещения, полноцветные дисплеи, инжекционные лазеры для хранения информации, медицинских приложений, связи и т.д. Кроме того, на основе этих материалов уже выпускаются высокомощные и высокочастотные транзисторы, диоды и фотодетекторы с уникальными параметрами.

Однако, несмотря на беспрецедентно быстрое развитие технологий III-N и достигнутые за последние 20 лет успехи в создании различных приборов, ряд проблем в этой области остается нерешенным. Эти трудности в первую очередь связаны со значительным различием в параметрах решетки GaN-InN-AIN и отсутствием коммерчески доступных гомоэпитаксиальных подложек. Необходимость гетероэпитаксиального роста на подложках сапфира, карбида кремния и др., рассогласующихся по параметру решетки и отличающихся по

температурным коэффициентам расширения по сравнению с III-N, приводит к

8 2

высокой плотности дислокаций в растущих слоях (-10 см" и выше), возникновению механических напряжений и изгибу растущего слоя, вплоть до растрескивания структуры. Различие длин связей в кристаллической решетке тройных и четверных соединений может приводить к термодинамической нестабильности твердого раствора в отношении спинодального фазового распада, образованию флуктуаций состава, атомарному упорядочению и др. Вследствие различных энергий связи в системе материалов GaN-AlN-InN рост тройных и

четверных соединений на их основе часто сопровождается сегрегационными эффектами, затрудняющими формирование заданного профиля изменения состава в сложных гетероструктурах. В дополнение к вышесказанному необходимо отметить, что, как правило, соединения Ш-Ы со структурой вюрцита растят в направлениях, перпендикулярных плоскости (0001). В таком случае в ростовом направлении в нитридных соединениях проявляются эффекты спонтанной и пьезоэлектрической поляризации, причем напряженность суммарного электрического поля в слоях и

п

гетероструктурах может достигать значительных величин (до ~10 В/см).

Перечисленные факторы и особенности строения материала затрудняют контролируемый рост слоев Ш-Ы соединений во всем диапазоне изменения их состава и обуславливают резкое снижение эффективности излучательной рекомбинации в светодиодных гетероструктурах, работающих в проблемных зелено-красной и ультрафиолетовой спектральной областях (с длинами волн больше 500 нм и меньше 360 нм, соответственно). Кроме того, для всех выпускаемых светодиодов на основе Ш-Ы соединений существенными проблемами являются падение внутреннего квантового выхода при увеличении плотности тока и деградация люминесцентных свойств в процессе работы.

Для успешной разработки оптоэлектронных светодиодных и лазерных излучателей на основе Ш-Ы соединений необходимы детальные исследования процессов формирования активной области в гетероструктурах, транспорта носителей заряда в них и тщательное изучение влияния точечных и протяженных дефектов на люминесцентные свойства и деградацию приборов. Необходимо отметить, что уникальный характер большинства явлений в соединениях Ш-М по сравнению с традиционными соединениями Ш-У приводит к необходимости разработки новых экспериментальных методов, позволяющих получать корректные данные о структуре, составе и люминесцентных свойствах материала. В противном случае, использование стандартных методик может оказаться не только недостаточным и ограниченным узким диапазоном изменения параметров слоев, но и приводить к неоднозначной и ошибочной интерпретации экспериментальных данных по составу, толщинам слоев и т.п. Поэтому задача разработки новых методик для исследования нитридных соединений является актуальной. Такие

методики необходимы и для более детального понимания оптических, электронных и структурных свойств гетероструктур на основе соединений Ш-Ы, оптимизации их дизайна и характеристик с целью преодоления множества ограничений и проблем, существующих в современных технологиях эпитаксиального роста.

Таким образом, целью работы является определение влияния состава, напряжений, фазового распада на оптические свойства и стабильность люминесценции слоев и структур на основе нитридов Ш-М.

Были поставлены следующие основные задачи:

• Разработка методик рентгеноспектрального микроанализа определения неоднородности состава слоев Ш-Ы в ростовом направлении, состава и глубины залегания наноразмерных слоев, оценки плотности и состава квантовых точек в многослойных гетероструктурах.

• Исследование распределения индия в ростовом направлении и изучение оптических свойств слоев 1пваК различной толщины.

• Исследование влияния флуктуаций состава в активной области на люминесцентные свойства светодиодных и лазерных гетероструктур.

• Оценка величины пьезополей в структурах с квантово-размерными слоями по данным катодолюминесценции.

• Определение характера изменения интенсивности люминесценции при непрерывном облучении электронным пучком слоев и гетероструктур Ш-М, установление основных закономерностей этого процесса.

Научная новизна работы:

• Разработана методика для изучения неоднородности состава в ростовом направлении в слоях Ш-К методами рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и катодолюминесценции (КЛ) при варьировании энергии электронного пучка. Показана возможность определения с точностью не хуже 10% относительных состава и положения наноразмерных слоев, залегающих на

глубине до ~ 500 -К2000 нм. Продемонстрирована возможность оценки плотности квантовых точек Ш-Ы методом РСМА.

• Обнаружен эффект увеличения концентрации индия в ростовом направлении (приповерхностное 1п-обогащение) в слоях 1пхОа1.хМ (х ~ 0.1 0.2) толщиной 100 нм и более, растущих когерентно буферному слою ОаЫ. Показано, что градиент концентрации индия в ростовом направлении приводит к формированию 1п-обогащенных областей, приводящих к значительным изменениям спектров КЛ.

• Предложена методика, позволяющая по характеру изменений спектров КЛ при изменении плотности тока первичного электронного пучка определять наличие фазового распада и оценивать величину электрического поля в активной области гетеростру ктуры.

• Изучен эффект зависимости интенсивности катодолюминесценции от времени при непрерывном облучении электронным пучком. Показано, что этот эффект наблюдается как в объемных слоях, так и в гетероструктурах. Нарастание интенсивности КЛ связано с захватом носителей заряда на состояния ловушек, формирующиеся вблизи интерфейса квантовая яма - барьерный слой или в приповерхностной области объемного слоя, толщиной не более 50 нм. Показано, что процесс захвата носителей заряда на состояния ловушек носит обратимый характер. Предложена модель, количественно описывающая наблюдаемое явление.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложены и апробированы методики определения состава тонких и наноразмерных слоев в структурах на основе Ш-М, оценки электрических полей в активной области структуры и определения флуктуаций состава в тонких слоях. Данные методики позволяют проводить диагностику выращиваемых структур неразрушающим методом, не требующим специальной пробоподготовки, изучать локальные неоднородности структур в латеральном и ростовом направлениях.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Состав и глубина залегания слоев и квантовых ям АПпОаК, толщиной от 3 нм до нескольких десятков нанометров, могут быть определены методом вариации энергии электронного пучка совместно с математическим моделированием результатов рентгеноспектрального микроанализа. Погрешность определения состава и глубины залегания не хуже 10% относительных, латеральное разрешение не хуже ~ 2 мкм.

• Эволюция вида спектра катодолюминесценции и изменение спектрального положения полос излучения наноразмерных слоев при изменении плотности тока первичного электронного пучка позволяет идентифицировать присутствие фазового распада в слое, а в случае его отсутствия - оценить величину электрического поля в активной области структуры.

• Вид спектра катодолюминесценции слоев 1пхОа1.хК (х~0.1-^0.2) толщиной более 100 нм, характеризующийся значительным смещением в длинноволновую область спектрального положения максимума люминесценции (по сравнению с краем поглощения) и увеличением полуширины, указывает на возникновение градиента концентрации индия в ростовом направлении и сопровождающимся формированием 1п-обогащенных областей.

• Длительное нарастание интенсивности люминесценции с характерными временами 10+- 100 сек при непрерывном облучении электронным пучком вызвано захватом носителей заряда на состояния ловушек, формирующихся вблизи интерфейсов в гетероструктурах или в приповерхностной области объемного слоя, толщиной не более 50 нм.

• Процесс захвата носителей заряда на уровни ловушек носит обратимый характер. Высвобождение носителей заряда происходит при нагреве образца до температуры 130 + 180°С на воздухе в течение 30 мин.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных школах, конференциях и симпозиумах:

• VIII, XI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2006, 2009);

• 10th European Workshop on Modern Developments and Applications in Microbeam Analysis. (Antwerp, Belgium, 2007);

• XV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и

аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 2007); th

• 12 , 13th International Conference in Defects-Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (Berlin, Germany, 2007; Wheeling, West Virginia, USA, 2009)

• XII, XIII Международный ежегодный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород, 2008, 2009)

• XXII Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2008);

• 9th, 10th, 11th International Workshop on Beam Injection Assessment of Microstructures in Semiconductors (Toledo, Spain, 2008; Halle (Saale), Germany 2010; Annaba, Algeria, 2012);

• 1-й, 2-й Международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологийв рамках Международного форума по нанотехнологиям "Rusnanotech" (Москва, 2008, 2009);

• 25th International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS-25) (St. Petersburg, 2009);

• Конференция (школа-семинар) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада "ФизикА.СПб" (Санкт-Петербург, 2009);

• 9th Regional Workshop on Electron Probe Microanalysis Today: Practical Aspects (Amsterdam, the Netherlands, 2010);

■ 2-й Симпозиум "Полупроводниковые лазеры: физика и технология" (Санкт-Петербург, 2010);

• 8-я Всероссийская конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы" (Санкт-Петербург, 2011);

• 11th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (St. Petersburg, 2011);

• 4th International Symposium on Growth of Ill-Nitrides (ISGN-4) (St. Petersburg, 2012);

• International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN-2012) (Sapporo, Japan, 2012);

• Российская молодёжная конференция по физике и астрономии (Санкт-Петербург, 2012) (<приглашенный)

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах в изданиях, рекомендованных ВАК. Список публикаций приведен в конце диссертации.

Глава 1. Обзор литературы

В главе дается обзор литературных данных по свойствам нитридов третьей группы и методам их изучения. Описано современное состояние проблем, решению которых посвящена диссертационная работа, а также формулируются нерешенные задачи.

§1.1 Общие свойства нитридов III группы Кристаллическая решетка

Для всех соединений III-N термодинамически стабильной является гексагональная структура вюрцита (а-фаза), а кубическая ß-фаза с структурой цинковой обманки метастабильной. Эти фазы отличаются последовательностью упаковки слоев атомов азота и атомов металла (Рисунок 1). Возможно сосуществование гексагональной и кубической фаз в эпитаксиальных слоях, в частности в дефектах упаковки.

В соединениях AIN-GaN-InN величины ионных радиусов катионов металлов различны и, следовательно, также отличаются величины постоянной решетки, ширины запрещенной зоны и энергии связи (Таблица 1).

В силу симметрии кристаллической решетки, в обеих фазах есть полярные оси: <0001> в структуре вюрцита и <111> в структуре цинковой обманки (Рисунок 1). Направление связи Ga-N по отношению к этим полярным осям определяют полярности слоя - III-полярный или N-полярный при совпадении и антипараллельности, соответствен�