WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

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 1·1020 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, 1 является диапазон концентрации Mg 271019 см-3. В области концентрации магния <2·1019 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.

Определены оптимальные толщины барьеров (db) и ям (dw), составляющих сверхрешётку, для 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 11018 см-3 и концентрацию дырок 11018 см-3 и 51017 см-3 для типов (I) и (II), соответственно. Из-за сильного вырождения двумерного газа все легированные КПСР, как n- так и p-типа, имели очень слабую температурную зависимость проводимости в интервале 100350 К.

ПЯТАЯ глава посвящена приборам УФ диапазона, разработанным и изготовленным в результате проведенных исследований.

Приводятся данные исследования электрических и оптических характеристик полученных приборов.

Первый раздел посвящен исследованию характеристик фотодиода на барьере Шоттки, изготовленном на n-GaN, выращенном МПЭ на кремнии Si(111). Исследованы электрические, оптические и шумовые характеристики фотодиодов.

1 Показано, что диоды на барьере Шоттки с размером мезы 86хмкм2 имеют рекордные темновые токи и шумовые характеристики на момент выполнения работы. Плотность темновых токов ~2,110-8 A/cм2 при напряжении –2 В и плотность мощности шума на частоте 1 Гц ~910-29 A2/Гц при нулевом напряжении.

Во втором разделе проведено детальное исследование вольтамперных и шумовых характеристик p-i-n фотодиодов на основе AlGaN– GaN. Диодные структуры были выращены на сапфире методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений. Введение дополнительно углубленного окна p-Al0.13Ga0.87N позволило увеличить квантовую эффективность за счет прохождения большего количества света до внутренней области поглощения по сравнению с фотодиодами на GaN гетеропереходах. Получены значения квантовой эффективности ~ 38% для ~360 нм и ~ 22% для ~300 нм при напряжении –15 В.

Рис. 2. Зависимость плотности тока от напряжения обратного смещения. Сплошная и пунктирная линии показывают плотность темнового тока для диода диаметром 50 мкм и 250 мкм соответственно. Точечная линия показывает вольтамперную характеристику при освещении с =260 нм.

Полупрозрачный p - контакт, Ni(50)/Au(100), полностью покрывал поверхность мезы диода, способствуя однородному распределению электрического поля в активной области диода. Типичная вольтамперная характеристика (I–V) для описываемых устройств показана на рис. 2 для двух мез диаметром 50 и 250 мкм. Все измеренные диоды показали очень низкие токи утечки при малых напряжениях, менее чем 110–10 A/см2 при –5 В. Плотность тока при обратном напряжении не зависела от размеров структуры.

Измерение I–V в диапазоне температур от 20°C до 250°C показало энергию активации темнового тока ~0,4 эВ для напряжений обратного смещения от –1 В до –20 В. При нулевом напряжении типичное значение дифференциального сопротивления фотодиода диаметром 250 мкм было 1 равно R0 ~ 2,5·1014 Ом и, соответственно, R0A~1,13·1011 Омсм2. Для диода с диаметром мезы 50 мкм R0>4·1015 Ом.

Исследована зависимость плотности мощности шума в диапазоне частот от 1 Гц до 1 кГц от напряжения. Для напряжений ниже 10 В спектр шума близок к 1/f типу шума. При более высоких уровнях обратного смещения наблюдается зависимость типа 1/f, где = 3. Это может быть связано со сложной природой возникновения шума, в частности, из-за влияния генерационно-рекомбинационных процессов. На частотах выше 1 кГц наблюдался только тепловой и дробовый шум.

Измерение температурной зависимости плотности мощности шума показало на активационное поведение с энергией активации 0,370,42 эВ, что подтверждает соответствие между I–V измерениями и измерениями шума.

Рис.3. Зависимости спектральной плотности шума от напряжения обратного смещения, измеренные при комнатной температуре для частоты 1 Гц для диодов диаметром 250 мкм (1) и 50 мкм (2). Горизонтальная пунктирная линия (3) показывает пороговое значение шума измерительной системы.

Зависимость спектральной плотности шума Sn от напряжения, измеренная для частоты 1 Гц при комнатной температуре, показана на рис. 3. Измерения показали экспоненциальную зависимость Sn от напряжения, а изменения величины Sn составили восемь и пять порядков при изменении напряжения от –5 В до –30 В для фотодиодов большего и меньшего диаметра, соответственно. Такая зависимость позволила экстраполировать Sn для нулевого напряжения, при котором работает большинство фотодетекторов регистрации изображения. Получены экстраполированные к нулевому напряжению значения Sn равные 1,5·10–A2/Гц и 3,6·10-32 A2/Гц для диодов диаметром 250 мкм и 50 мкм, соответственно.

Для диодов с диаметром 50 мкм при нулевом напряжении смещения получена спектральная плотность шума 3,6· 10-32 A2/Гц. На основе данных измерений шумовых и токовых характеристик сделано 1 вычисление лимита обнаружительной способности для комнатной температуры 2,4· 1014 cм Гц1/2 Вт–1. Фоновый лимит обнаружительной способности составил 3,5· 1013 cм Гц1/2 Вт–1. Обнаружительная способность фотодиода сравнима с обнаружительной способностью фотоумножителей ультрафиолетового диапазона спектра.

Впервые показано, что зависимость плотности мощности шума от темнового тока может быть описана феноменологическим выражением Si = (I2 /f) темн. A/ Ao, где A0 – характеристический параметр площади и A – площадь диода. Зависимость плотности мощности шума от площади диода указывает на объемную, а не на поверхностную природу шума.

В третьем разделе изложено получение и исследование оптических и электрических параметров фотодетекторов УФ диапазона на КПСР AlN/AlGa(In)N, не чувствительных для области видимого света.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика Рис. 5. Спектральная фоточувcтвительность фотодиода фотодиода для =260 нм (I).

для =260 нм (II).

Эпитаксиальные структуры двух типов (I) и (II) были выращены на сапфире методом МПЭ с использованием аммиака. Приборная структура (I) содержит буферный слой AlN 40 нм, выращенный на сапфире, затем ~ 1 мкм GaN буферный слой, легированный кремнием, две n- и p-типов AlN/AlGa(In)N сверхрешётки, и 10 нм Al0.08Ga0.92(In)N:Mg контактный слой. Каждая n- и p-тип КПСР содержит 150 пар Al0.08Ga0.92(In)N квантовых ям, толщиной ~ 0,75 нм, разделенных барьерами AlN толщиной ~ 1,0 нм.

Структура (II) содержит буферный слой AlN 40 нм, затем буферный слой КПСР ~ 300 нм со средним составом ~0,7 прозрачным до длин волн 240 нм, затем n –, i–, и p-типа слои КПСР AlN/Al0.08Ga0.92N различной толщины и оптической ширины запрещенной зоны, от ~ 4,96 эВ 1 (~250 нм) в i-слое до ~ 5,17 эВ (~240 нм) в n- и p-слоях. КРСР были легированы кремнием и магнием в n- и p- областях, соответственно, и не легированы в i-области.

Типичная вольтамперная (I-V) характеристика диода (I) представлена на рис. 4. Измерен темновой ток утечки 0,50,6 пA при обратном напряжении 0,1 В. Ток утечки при напряжении -5 В ниже чем 50 п. Из зависимости (dV/dI) от напряжения, показанной на вставке рис.

4, получено значение дифференциального сопротивления фотодетектора при нулевом напряжении ~1·1011 Ом и значение характеристического произведения RoA ~6,2·108 Ом см2. Спектральная зависимость фоточувствительности показана на рис. 5. Фоточувствительность в диапазоне длин волн от 260 нм до 380 нм падает на шесть порядков, показывая на нечувствительность для видимой области спектра.

Фоточувствительность 25 мA/Вт была измерена для длины волны 260 нм. Это соответствует внешней квантовой эффективности 12,5%.

Рис. 6. Вольтамперная характеристика Рис. 7. Спектральная фоточувствительность фотодиода фотодиода для =247 нм(II).

для =247 нм (II).

Расчет обнаружительной способности фотодиода для нулевого напряжения смещения, использующий значение RoA полученное выше, дает величину D*=1,4·1012 см Гц1/2Вт-1.

Типичная вольтамперная (I-V) характеристика p-i-n фотодетектора (II) представлена на рис. 6. Измерен темновой ток утечки 0,30,5 фA при обратном напряжении 0,1 В. Ток утечки при напряжении -20 В ниже чем 5 н. Получено значение дифференциального сопротивления фотодиода 1 при нулевом напряжении ~ 6,6·1014 Ом и значение характеристического произведения RoA~ 1,5·1011 Ом см2. Спектральная зависимость фоточувствительности фотодиода (II) показана на рис. 7. Фотодетектор имеет фоточувствительность 15 мА/Вт и 62 мА/Вт и внешнюю квантовую эффективности 7,5% и 30% при напряжении равном нулю и -10 В, соответственно. Расчет обнаружительной способности фотодиода (II) для нулевого напряжения смещения, используюший значение RoA, полученное выше, дает величину D*=4,5·1013 см Гц1/2Вт-1.

Разработанные и изготовленные солнечно-слепые фотодетекторы показали рекордные значения темновых токов и обнаружительной способности для приборов, изготовленных на слоях, выращенных методом МПЭ с аммиаком.

Четвертой раздел посвящен демонстрации возможности изготовления светодиодов УФ диапазона спектра (262 нм и 280 нм), изготовленных на основе легированных КПСР. Мощность излучения светодиодов составила 160 мкВт (280 нм) и 100 мкВт (262 нм) при прямом импульсном токе 250 А/см2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Оптимизация режимов нуклеации и роста буферного слоя, а именно, температуры и скорости роста, соотношения потоков элементов III и V группы позволяет получать эпитаксиальные слои и гетероструктуры на основе GaN, AlN и AlGaN с высоким кристаллическим совершенством на кремниевых и сапфировых подложках.

2. Образование нитрида кремния при чередовании потоков алюминия и аммиака способствует формированию высокотемпературного буферного слоя AlN высокого качества на кремниевых подложках.

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

4. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны GaN близка к зависимости для объемного GaN и хорошо описывается моделями Паслера и Варшни. Концентрация электронов в GaN может быть оценена из измерений интенсивности Раман-спектров A1(LO) и E22 мод.

Оценена энергия связи свободных экситонов 29±2 мэВ.

5. Эффективная ширина запрещенной зоны, Eg, короткопериодных сверхрешеток (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 с 1,25 до 2,25 нм.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»