авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка и исследование электрических и оптических характеристик фотодетекторов ультрафиолетового диапазона спектра на основе твердых растворов alxga1-xn

-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА

(На правах рукописи)

УДК 621.315.592

КУРЯТКОВ Владимир Вениаминович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОДЕТЕКТОРОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА СПЕКТРА НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ AlXGa1-XN

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

01.04.10 – физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

ГАТЧИНА

2006

Работа выполнена в Отделении физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики
им. Б.П. Константинова  РАН.

Научные руководители доктор физико-математических наук
В.М. Самсонов
доктор физико-математических наук
В.И. Кучинский
Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,
профессор А.Н. Пихтин
доктор физико-математических наук,
профессор Г.Г. Зегря
Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита состоится " ______ " ____________ 2006 г. в ________ часов на заседании диссертационного совета Д.002.115.01 при Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова  РАН по адресу: 188300, Ленинградская область, г. Гатчина, Орлова роща.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан " ____ " _____________ 2006 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

И.А. Митропольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время фотодетекторы и светодиоды ультрафиолетового диапазона (УФ) находят все более широкое применение в научных исследованиях, в частности, в исследовании биологических объектов, в исследовании космоса, а также в бытовых приборах и электронной аппаратуре.

Вполне закономерно, что именно широкозонные полупроводники, такие как GaN, AlGaN и AlN (далее III-нитриды), привлекли внимание разработчиков приборов [1, 2]. Так, например, AlGaN может быть выращен с составом в широком диапазоне, от GaN(3,42 эВ) до AlN(6,2 эВ).

Солнечное ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче = 280 нм (h ~ 4,43 эВ) интенсивно поглощается верхними слоями земной атмосферы, и использование AlxGa1-xN с х > 0,4 (Eg ~ 4,2 эВ) открывает уникальную возможность для разработки нового поколения фотодетекторов.



Фотодетекторы, работающие в спектральном диапазоне 240280 нм и не чувствительные к солнечному освещению (solar-blind), не имеют лимита по фоновому излучению и могут иметь сравнимые с фотоумножителями характеристики.

Серьезной проблемой при создании приборов УФ диапазона спектра является получение высоколегированных слоев AlGaN n- и p-типа с высоким составом AlN и обеспечение достаточно низкого рабочего напряжение и малой мощности потребления. Один из путей решения этой проблемы заключается в использовании сверхрешёток (СР) [3]. В связи с этим, исследование электрических и оптических свойств СР для приборов дальней УФ области спектра представляет значительный интерес.

Таким образом, получение высококачественных слоев AlxGa1-xN и сверхрешёток на их основе, разработка фотодетекторов УФ диапазона и исследование их электрических и оптических характеристик, является весьма актуальным.

Цель работы заключается в разработке технологии получения фотодетекторов УФ спектрального диапазона на основе твердых растворов AlxGa1-xN и исследовании электрических и оптических характеристик.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

  1. Получить слои GaN и AlGaN высокого кристаллического качества методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) с аммиаком и исследовать их оптические и электрические характеристики.
  2. Исследовать легирование магнием и кремнием слоев AlxGa1-xN.
  3. Исследовать легирование магнием и кремнием, электрические и оптические характеристики СР AlN/Al0.08Ga0.92N.
  4. Разработать технологию изготовления фотодетекторов УФ диапазона спектра 250380 нм, исследовать оптические и электрические характеристики фотодетекторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Впервые получены систематические данные об оптических свойствах короткопериодных сверхрешёток (КПСР) AlN/ AlxGa1-xN в области средних составов AlN от 0,50 до 0,85.
  2. Показано, что эффективная ширина запрещенной зоны, Eg, КПСР AlN/Al0.08Ga0.92N при ширине ямы 0,50 и 0,75 нм может быть изменена заданным образом на ~ 100400 мэВ путем изменения периода в интервале от 1,25 нм до 2,25 нм.
  3. Получены и исследованы слои n-типа AlxGa1-xN:Si, выращенные методом МПЭ с газовыми источниками аммиака и силана, с высоким уровнем легирования (>1019 см-3) вплоть до состава x~0,85.
  4. Исследовано вхождение магния в слоях AlxGa1-xN:Mg, 0x1, выращенных МПЭ с постоянной скоростью роста, при стехиометрическом соотношении III/V элементов в диапазоне температур 780820оС и установлено, что вхождение Mg уменьшается более чем на порядок при изменении состава от x=0 до x=1.
  5. Исследовано влияние кислорода на легирование магнием слоев GaN:(Mg+О) и Al0.08Ga0.92N:(Mg+О) с концентрацией Mg 1·1020 cм-3, выращенных МПЭ с использованием аммиака. Установлено, что кислород в твердой фазе снижает энергию активации акцептора.
  6. Исследованы оптические и электрические характеристики GaN и AlGaN, выращенных методом МПЭ с аммиаком и найдены условия получения слоев высокого кристаллического качества GaN и AlGaN на Si (111) и на сапфире (0001).

Практическая ценность работы:

  1. Разработана технология роста слоев GaN и AlGaN высокого кристаллического качества методом МПЭ с аммиаком на кремнии (111) и на сапфире (0001).
  2. Исследовано легирование твердых растворов AlxGa1-xN n- и р-типа различного состава (0x1).
  3. Исследовано легирование магнием и кремнием КПСР AlN/Al0.08Ga0.98N.
  4. Обнаружено уменьшение энергии активации акцептора магния в эпитаксиальных слоях GaN и Al0.08Ga0.98N, выращенных методом МПЭ с аммиаком в присутствии кислорода.
  5. Разработана технология изготовления фотодетекторов УФ диапазона спектра 250380 нм.
  6. Показано, что Шоттки диоды с размером мезы 86х86 мкм2, изготовленные на эпитаксиальных слоях n-GaN, выращенных МПЭ с аммиаком на Si(111), имеют плотность темнового тока ~2,10108 A/cм2 при напряжении –2 В и плотность мощности шума на частоте 1 Гц ~91029 A2/Гц при нулевом напряжении.
  7. Исследованы оптические и электрические характеристики фотодетекторов диапазона длин волн 250380 нм на основе КПСР AlN/Al0.08Ga0.92N, выращенных на сапфире (0001) методом МПЭ.
  8. Исследованы шумовые характеристики фотодиодов на AlGaN-GaN, выращенных методом МОСГЭ. Показано, что спектральная плотность мощности шума в AlGaN-GaN фотодиодах, измеренная для частоты 1 Гц, имеет экспоненциальную зависимость от обратного напряжения и может быть аппроксимирована линейной зависимостью:

Si = (I2темн./f), где A0 – характеристический параметр площади, A – площадь диода, – коэффициент равный 1, f – частота.

  1. Разработан метод травления AlxGa1-xN и СР AlN/AlGaN в плазме CF4/Ar для состава твердого раствора 0x1. Впервые показано, что скорость травления AlxGa1-xN и СР AlN/AlGaN в плазме CF4/Ar не зависит от состава твердого раствора во всем диапазоне 0x1.

Научные положения, выносимые на защиту:

  1. Кремний является мелким донором в AlxGa1-xN с энергией активации 2026 мэВ независимо от состава твердого раствора в диапазоне 0,56<x<0,85 и концентрации кремния в диапазоне 1018 51019 cм-3.
  2. B слоях GaN:Mg и AlN:Mg, выращенных МПЭ с аммиаком с постоянной скоростью роста при стехиометрическом соотношении III/V элементов в диапазоне температур 780820оС, вхождение Mg отличается на порядок, 21020 cм-3 и 2 1019 см-3, соответственно.
  3. В эпитаксиальных слоях р-типа GaN:(Mg+О) и Al0.08Ga0.92N:(Mg+О), с концентрацией Mg 11020 cм-3, выращенных МПЭ с аммиаком, энергия активации акцептора может быть снижена с 200±20 мэВ до 145±20 мэВ и с 250±20 мэВ до 195±20 мэВ, соответственно, при соотношении концентраций Mg и О в твердой фазе Mg/O = 40.
  4. Эффективная ширина запрещенной зоны, Eg, КПСР AlN/Al0.08Ga0.92N с шириной ямы 0,50 и 0,75 нм может быть изменена заданным образом с 4,50 до 5,30 эВ путем изменения периода от 1,25 до 2,25 нм.
  5. Скорость травления AlxGa1-xN в CF4/Ar плазме ИСП (индуктивно связанная плазма) /РИП (реактивно ионная плазма) не зависит от состава твердого раствора при соотношении потоков газов CF4/Ar = 20/4 sccm, ИСП=300Вт, РИП=150Вт и давлении = 10 мТорр.
  6. Использование КПСР AlN/Al0.08Ga0.92N в приборных структурах, выращенных методом МПЭ с аммиаком, позволяет создать солнечно-слепые фотоприемники с низким уровнем темнового тока и высокой обнаружительной способностью при нулевом напряжении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих семинарах и конференциях: 4-я Всероссийская конференция “Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы”, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 2005, Санкт-Петербург, Россия; The Materials Research Society Meeting, Boston, Massachusetts, 2005, USA; 4-я Международная конференция “Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures (PLMCN4)”, 2004 г. Санкт-Петербург, Россия; 46th Electronic Materials Conference, Univ. of Notre Dame, IN, USA, 2004; 5th International Conf. on Nitride Semiconductor, ICNS-5, 2003, Nara, Japan; 45th Electronic Materials Conference, Salt Lake City, USA, 2003; 8th Wide-bandgap III-Nitride Workshop, Richmond, USA, 2003; 44th Electronic Materials Conference, Univ. of California, S. Barbara, 2002; International Workshop on Nitride Semiconductors, 2002, Aachen, Germany; 7th Wide Bandgap III-Nitride Workshop, Richmond, Virginia, 2002, USA; 4th International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, (ISBLLED-4), 2002, Crdoba, Spain; ICNS-4, 2001, Denver, Colorado, USA; MRS Fall Meeting, 2000, Boston, Massachusetts, USA; 18th Annual North American Conference on Molecular Beam Epitaxy, Phoenix, Arizona, 2000, USA; 4-е Всероссийское совещание “Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы”, Санкт-Петербург, 2000, Россия.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 18 научных работах. Полный список приведён в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, включающего 245 наименований. Основная часть работы изложена на 174 страницах машинописного текста. Работа содержит 83 рисунков и 5 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные задачи и цель работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

ПЕРВАЯ глава посвящена обзору литературных данных по фотодетекторам УФ диапазона спектра на основе AlxGa1-xN. Приведены сведения по получению, структуре, оптическим и электрическим свойствам GaN и AlGaN фотодетекторов дальней УФ области (<360 нм). Большая плотность дефектов эпитаксиальных слоев, от 107 до 1010 см-2, ограничивала характеристики III-нитридных приборов. Необходимо разработать технологию получения слоев GaN и AlGaN высокого качества. Для приборов УФ области спектра необходимо получить слои n- и p- типа AlxGa1-xN с составом близким к AlN. Легирование таких слоев и получение омических контактов представляет значительные трудности. Требуется выявить влияние дислокаций на механизм протекания тока. Показано, что в литературе отсутствуют данные по получению качественных слоев GaN и AlGaN и сверхрешёток на их основе, выращенных методом МПЭ с использованием аммиака, не разработана технология легирования этих слоев.

Во ВТОРОЙ главе описаны методика проведения исследований и метод роста эпитаксиальных слоев.





В первом разделе описаны основные этапы подготовки и проведения процесса эпитаксиального роста на установке МПЭ РИБЕР32.

Во втором разделе рассмотрены основные методики, применявшиеся в рамках диссертационной работы для измерения параметров эпитаксиальных слоев и гетероструктур, включая электрические, оптические и кристаллические свойства.

В третьем разделе описаны технологические процессы ионно-плазменного травление для формирования меза-структур.

В ТРЕТЬЕЙ главе приведены результаты исследования эпитаксиальных пленок GaN, AlGaN и слоев КПСР.

В первом разделе приведены результаты исследования оптических и электрических свойств AlxGa1-xN слоев с 0x1, выращенных методом МПЭ с аммиаком на подложках Si(111) n- и p- типа.

Путем оптимизации режимов нуклеации и роста буферного слоя, а именно, температуры и скорости роста, соотношения потоков элементов III и V группы на кремниевых и сапфировых подложках были получены эпитаксиальные слои и гетероструктуры на основе GaN, AlN и AlGaN с высоким кристаллическим совершенством.

Показано, что образование нитрида кремния при чередовании потоков алюминия и аммиака способствует формированию высокотемпературного буферного слоя AlN высокого качества на кремниевых подложках.

Установлено, что использование высокотемпературного AlN буфера на сапфировых подложках позволяет получать эпитаксиальные слои GaN и AlGaN высокого качества, имеющие полярность элемента III группы.

Во втором разделе приведены результаты исследования оптических и электрических свойств GaN, выращенного методом МПЭ с аммиаком на Si(111). Изучена температурная зависимость края фотолюминесценции в диапазоне температур 77495 K для образцов с низкой фоновой концентрацией носителей, определенной методами измерения вольтфарадных характеристик и Раман-спектров. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны GaN близка к зависимости для объемного GaN и хорошо описывается моделями Паслера и Варшни. Показано, что концентрация электронов в GaN, полученная из измерений вольтфарадных характеристик, может быть оценена из измерений относительной интенсивности Раман-спектров A1(LO) и E22 мод для GaN. Оценена энергия связи свободных экситонов 29±2 мэВ. Обсуждается вклад различных механизмов в уширение линии свободных экситонов.

В третьем разделе исследованы оптические и кристаллические характеристики КПСР AlN/AlGaN. Параметры сверхрешеток определялись из спектров рентгеновской дифракции (РД). Эффективный состав вычислялся из положения “0” пика, используя закон Вегарда, а период - по положению “+1” и “-1” пиков РД. Эффективная ширина запрещенной зоны, (Eg) КПСР, определялась из измерений оптического отражения. Получена зависимость эффективной ширины запрещенной зоны, Eg КПСР, от периода в диапазоне 1,252,25 нм (рис. 1). При постоянном периоде изменение толщины ямы на один монослой (МС) приводит к изменению Eg на величину 400±30 мэВ. При постоянной толщине ямы и изменении толщины барьера, Eg изменяется на 100±20 мэВ. Промежуточные заданные значения сдвига Eg можно получить изменением толщины ямы или толщины барьера. Сдвиг катодолюминесценции (КЛ) объясняется флуктуациями периода сверхрешётки. Эти флуктуации приводят к локальному изменению ширины эффективной запрещенной зоны. Носители диффундируют в области с меньшей Eg, где и происходит преимущественная рекомбинация с длиной волны большей, чем в среднем по объему.

ЧЕТВЕРТАЯ глава посвящена изучению электрических и оптических свойств слоев n-, p-типа на основе GaN, AlGaN и КПСР.

В первом разделе исследовано легирование кремнием слоев AlGaN различного состава, выращенных методом МПЭ с аммиаком.

Высокий уровень легирования n-типа (концентрация электронов >1019 cм-3) слоев AlxGa1-xN был получен вплоть до состава x~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 AlN она составляет ~11015 см-3. Это связано с резким возрастанием энергии активации донорного уровня кремния с ~30 мэВ для x=0,85 до ~265 мэВ для x=1. Обсуждаются возможные модели такого поведения. Наиболее близко согласуется с нашими экспериментальными данными модель, основанная на изменении диэлектрической постоянной [4]. В рамках этой модели, при энергиях ионизации больше чем энергия поперечных фононов, необходимо использовать высокочастотную, а не низкочастотную диэлектрическую постоянную. Из модели следует, что для AlGaN с составом х > 0,8 энергия ионизации донора резко изменяется.

Во втором разделе исследовано влияние кислорода на легирование магнием слоев GaN:(Mg+О) и AlхGa1-хN:(Mg+О) (0x0,08) с концентрацией Mg ~1 · 1020 cм-3, выращенных МПЭ. Показано, что в эпитаксиальных слоях р-типа GaN:(Mg+О) и Al0.08Ga0.92N:(Mg+О) с концентрацией Mg 11020 cм-3 взаимодействие Mg и O в твердой фазе снижает энергию активации дырок с 200±20 мэВ до 145±20 мэВ и с 250±20 мэВ до 195±20 мэВ, соответственно, при соотношении Mg/O = 40.

В третьем разделе исследовано легирование слоев Al0.04Ga0.96N магнием. Установлено, что оптимальным, с точки зрения легирования, является диапазон концентрации Mg 271019 см-3. В области концентрации магния <21019 см-3 уменьшается концентрация акцепторных уровней. С ростом уровня легирования проявляется амфотерная природа магния. Магний встраивается не только в катионную подрешётку, замещая атомы галлия, но и анионную, замещая атомы азота и образуя глубокий донорный уровень. В области концентрации магния больше 71019 см-3 концентрация дырок падает из-за сильного возрастания эффекта самокомпенсации. Показано, что увеличение состава AlxGa1-xN приводит к резкому возрастанию энергии активации уровня магния.

В четвертом разделе исследовано легирование магнием и кремнием КПСР двух типов - AlN/Al0.08Ga0.92N (I) и Al0.4Ga0.6N/GaN (II).

Для получения слоев р-типа высокого уровня легирования с эффективным составом x>0,1 было предложено использовать СР [3]. Среди соединений AIIIBV нитриды имеют самые большие величины спонтанной и пьезоэлектрической поляризации, что приводит к возникновению в гетероструктурах сильных электрических полей, значительно изменяющих зонную диаграмму полупроводника. В результате в области ям сверхрешётки образуется двумерный газ носителей тока, эффективная концентрация которого может на порядки превышать концентрацию в AlGaN такого же состава.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.