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 3
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 ~2,1010-8 A/cмпри напряжении –2 В и плотность мощности шума на частоте 1 Гц ~910-29 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 = (I2 /f) темн. A/ Ao, где A0 – характеристический параметр площади, A – площадь диода, – коэффициент равный 1, f – частота.
9. 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
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, 2·1020 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±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 солнечнослепые 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”, Физикотехнический 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”, СанктПетербург, 2000, Россия.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 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 175 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 ионноплазменного 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.
Рис. 1. Зависимость эффективной ширины запрещенной зоны от периода сверхрешетки:
1- яма два монослоя (отражение);
2- яма три монослоя (отражение);
3- яма три монослоя (катодолюминесценция).
Обсуждается вклад различных механизмов в уширение линии свободных экситонов.
