Эпитаксиальные слои GaN и многослойные гетероструктуры GaN/AlGaN. Разработка технологии выращивания и исследование свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Лундин, Всеволод Владимирович

• Лундин, Всеволод Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лундин, Всеволод Владимирович

Оглавление

стр

Введение

Глава 1 Выращивание эпитаксиальных слоев системе 1ШЧ методом МО ГФЭ 12 (обзор)

1.1. Свойства полупроводниковых соединений типа Ш-Ы

1.2. Выращивание эпитаксиальных слоев и многослойных гетероструктур в 14 системе Ш-К

1.2.1. Выбор типа подложек для эпитаксиального выращивания структур на 14 основе Ш-И

1.2.2. Выращивание эпитаксиальных слоев ваИ методом МО ГФЭ на 16 сапфировых подложках.

1.2.3. Легирование эпитаксиальных слоев ОаЫ

1.2.4. Формирование активной области светоизлучающих диодов на основе ОаК 25 Выводы

Глава 2 Методики выращивания и исследования эпитаксиальных слоев СаК 29 и гетероструктур в системе Са]У/СаАШ на сапфировых подложках.

2.1. Установка для эпитаксиального выращивания

2.2. Методика подготовки сапфировых подложек

2.3. Методика выращивания эпитаксиальных слоев ваИ и гетероструктур в 42 системе ОаЫ/ОаАШ

2.4. Методики постростовой обработки эпитаксиальных слоев ваИ и 46 гетероструктур ОаМ/АЮаМ

2.5. Методики исследования слоев ОаИ, ОаАЦМ и гетероструктур ОаЫ/ОаАГМ

2.6. Методика определения толщины низкотемпературного буферного слоя 49 ваК

Глава 3 Получение эпитаксиальных слоев GaN на сапфировых подложках

3.1. Особенности процесса низкотемпературного осаждения буферного слоя 51 ваК

3.1.1. Исследование зависимости толщины низкотемпературного буферного слоя 52 от параметров процесса осаждения.

3.1.2. Исследование структурных свойств низкотемпературных буферных слоев 54 <ЗаК

3.2. Исследование особенностей высокотемпературного эпитаксиального роста 59 ОаК

3.2.1. Исследование скорости роста и свойств эпитаксиальных слоев ваИ в 59 зависимости от положения подложки на подложкодержателе.

3.2.2. Исследование начальной стадии высокотемпературного эпитаксиального 62 роста Оа1Ч.

3.2.3. Влияние добавления малых количеств А1 в низкотемпературный буферный 65 слой ваМ на свойства эпитаксиального слоя

3.2.4. Использование каталитического разложения аммиака при 69 низкотемпературном осаждении буферного слоя ОаИ и ОаАШ.

3.2.5. Фотолюминесцентные и катодолюминесцентные свойства толстых (2- 70 4 мкм) нелегированных слоев ОаК

3.2.6. Структурные и электрофизические свойства толстых (2-4 мкм)

нелегированных слоев ОаК

Выводы

Глава 4 Легирование эпитаксиальных слоев Са1Ч

4.1. Легирование эпитаксиальных слоев ОаИ кремнием

4.2. Легирование эпитаксиальных слоев ваИ магнием. 86 4.2.1. Вхождение М^ в ваЫ в процессе эпитаксиального роста

4.2.2. Фотолюминесцентные и электрофизические свойства слоев ваИ, 89 легированных М^;

4.3. Дефектные полосы в спектрах фотолюминесценции легированных и 98 нелегированных слоев ваИ.

4.4. Вольт-амперные характеристики р-п переходов в эпитаксиальных слоях 99 ваК

4.5. Легирование эпитаксиальных слоев ОаЫ цинком. 102 Выводы

Глава 5 Выращивание эпитаксиальных слоев твердых растворов AlGaN и 105 многослойных гетероструктур GaN/AIGaN.

5.1. Выращивание тонких, менее 0.5 мкм, эпитаксиальных слоев AlGaN на 105 эпитаксиальных слоях GaN.

5.2. Выращивание толстых, более 0.5 мкм, эпитаксиальных слоев AlGaN

5.2.1. Выращивание толстых эпитаксиальных слоев AlGaN на эпитаксиальных 108 слоях GaN.

5.2.2. Выращивание толстых эпитаксиальных слоев AlGaN непосредственно на 108 низкотемпературных буферных слоях GaAIN, осажденных на сапфировых подложках.

5.3. Особенности эпитаксиального выращивания и свойств гетероструктур 116 GaN/AIGaN.

5.3.1. Оптические и структурные свойства двойной гетероструктуры GaN/AIGaN 116 с толстым нижним слоем AlGaN.

5.3.2. Влияние нитридации сапфировой подложки на свойства гетероструктур 121 GaN/AIGaN.

5.3.3. Влияние легирования на диффузионное проникновение Al из слоев AlGaN 124 в слои GaN при росте многослойных гетероструктур GaN/AIGaN.

Выводы

Глава 6 Электролюминесцентные характеристики светодиодов на основе р-п 127 переходов в эпитаксиальных слоях GaN и гетероструктурах GaN/AIGaN.

6.1. Светодиоды излучающие в синей области спектра на основе р-n переходов 129 в эпитаксиальных слоях GaN и гетероструктурах GaN/AIGaN с активной областью GaN:Mg и GaN:Zn.

6.2. Светодиоды на основе гетероструктур GaN/AIGaN, излучающие в

ультрафиолетовой области спектра.

Выводы

Заключение

Список цитируемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эпитаксиальные слои GaN и многослойные гетероструктуры GaN/AlGaN. Разработка технологии выращивания и исследование свойств»

Введение

Одним из самых ярких явлений в полупроводниковой оптоэлектронике в 90-х годах стал стремительный прогресс в технологии светоизлучающих приборов для фиолетовой, синей и зеленой областей спектра на основе нитридов Ш группы - InN, GaN, A1N. При этом была ликвидирована значительная диспропорция в эффективности светодиодов для красно-оранжевой и сине-зеленой областей спектра [1] и появилась возможность создания эффективных полноцветных систем отображения информации. Создание полупроводникового лазерного диода, излучающего в фиолетовой области спектра [2], открыло возможность значительного увеличения плотности записи в оптических системах хранения информации.

Значительные успехи в разработках красных и желто-оранжевых свето диодов в 80-х -начале 90-х годов позволили значительно расширить область их применения. Внешняя квантовая эффективность светодиодов на основе соединений AlGaAs и InGaAlP составила 1-10% при силе света 7-10 Кд. Появилась возможность использовать светодиоды в системах отображения информации, работающих в условиях прямого солнечного освещения, в стоп-сигналах автомобилей, в светофорах. Эти источники света имеют высокую эффективность и надежность, малые габариты. В то же время, до начала 90-х годов, зеленые, и особенно синие и фиолетовые светодиоды имели значительно худшие характеристики. Непрямая зонная структура SiC ограничивала внешнюю квантовую эффективность промышленно выпускавшихся светодиодов на его основе величиной -0.04%. Лабораторные образцы синих светодиодов на основе GaN и твердых растворов AnBVI имели квантовую эффективность 0.5-0.8% и 1-1.3%, соответственно. Однако низкий, порядка сотен часов, срок их службы не позволял осуществить их промышленное производство. Сообщений о создании эффективных светодиодов, излучающих в ультрафиолетовой области спектра, не было.

В конце 80-х - начале 90-х годов исследовательскими группами И.Акасаки (I.Akasaki) из университета г. Нагоя (Япония) [3] и С.Накамуры (S.Nakamura) из фирмы Nichia Chemical Industries, Ltd (Япония) [4] был освоен эпитаксиальный рост GaN и его твердых растворов InGaN и AlGaN на сапфировых подложках методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ) и впервые получен GaN

р-типа проводимости. В обоих группах использовался метод эпитаксии GaN с предварительным осаждением низкотемпературного буферного слоя. В настоящее время этот метод в технологии GaN является общепринятым.

Стремительный прогресс в развитии GaN технологий в этих группах (Рис.1.1) позволил начать промышленное производство эффективных светодиодов для синей и, в последствии, зеленой областей спектра. Кульминацией работ было создание лазерного диода со сроком службы более 3000 часов (экстраполированный срок службы более 10000 часов) [5].

Эти успехи способствовали стремительному росту во всем мире интереса к оптоэлектронным приборам на основе GaN и его твердых растворов. К началу 1995 г. эффективные светодиоды на основе GaN были созданы рядом исследовательских групп в США и Японии. Эти результаты, также отображенные на рис. 1.1, достигнуты преимущественно крупными фирмами, осуществляющими коммерческое производство светодиодов на основе GaN или планирующими его на ближайшее будущее (Toyoda Gosei (Япония), Cree Research (США), Hewlett Packard (США)) [6,7,8]. Подробная информация о методах эпитаксиального роста и свойствах материала и приборов не публиковалась.

Таким образом, ситуация, сложившаяся к 1995 году в области полупроводниковых приборов на основе нитридов Ш группы может быть охарактеризована следующим образом. С одной стороны, к этому времени были созданы и стали коммерчески доступными чрезвычайно эффективные светоизлучающие диоды на основе GaN. С другой стороны, дальнейшее распространение технологии GaN, как и создание новых типов приборов на основе GaN, сдерживалось отсутствием открытой информации как о методах эпитаксиального выращивания GaN, так и о свойствах данного материала. Методы выращивания совершенных эпитаксиальных слоев GaN и приборных структур на основе GaN оставались технологическим секретом фирм-производителей. Соответственно, ведущие научные лаборатории мира имели крайне ограниченные возможности исследования свойств нитрида галлия и столкнулись с необходимостью создавать собственную технологическую базу для выращивания образцов для исследования. Сообщений о проведении подобных работ в России не было. В течение 1996-97 годов ряд научных коллективов США и Японии смог достичь и отчасти превзойти уровень технологических достижений фирм, промышленно производивших в

-I-1-1-1_» I

-0 I-

o

0

1 cd S

CD -8-■e

CO

Оч CO Ш

0

II CO

m ^

o; к

1

3

CD X CD

10.0-

Meijo University, Nagoya (I.Akasaki)

Nichia Chemical (S.Nakamura)

к

V & & & # ¿r & <r & <# £ J>

к:-' >\J ^ >V

Годы

Рисунок 1.1. Рост эффективности светодиодов для синей области спектра на основе GaN в 1987-1997 годах

этот период светоизлучающие диоды на основе ваК Проведен большой объем научных исследований, посвященных изучению структурных свойств эпитаксиальных слоев ОаИ, механизмов излучательной рекомбинации и проблемам легирования ОаК Несмотря на это, на сегодняшний день нитрид галлия все еще изучен значительно хуже, чем классические полупроводниковые соединения АШ-ВУ (арсениды и фосфиды Ш группы).

Начатый в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН осенью 1995 года цикл работ, посвященный МО ГФЭ ОаЫ проводился в рамках описанного научно-технического бума, связанного с ОаИ и проходил на фоне стремительного увеличения числа научных публикаций по этой тематике.

Основной целью проведенной работы являлась разработка и оптимизация методики выращивания эпитаксиальных слоев и многослойных гетероструктур с р-п переходами в системе Оа^АЮаЫ методом МО ГФЭ и исследование свойств полученных структур. Достижение поставленной цели распадалось на решение ряда основных подзадач:

1. Предварительные исследования процессов роста ОаЫ на сапфире методом МО ГФЭ на имеющемся технологическом оборудовании, частичная модернизация и отладка оборудования, выбор основных параметров технологического процесса.

2. Исследование процессов осаждения низкотемпературного буферного слоя ОаЫ.

3. Исследование влияния параметров осаждения низкотемпературного буферного слоя на свойства эпитаксиального слоя Оа1Ч. Оптимизация режимов эпитаксиального роста ваК и исследование свойств полученных эпитаксиальных слоев.

4. Исследование процессов легирования эпитаксиальных слоев ОаИ для получения п- и р- типов проводимости.

5. Получение и исследование эпитаксиальных слоев АЮаЫ.

6. Получение и исследование приборных структур в системе ОаК/АЮаЫ.

В процессе решения поставленной задачи удалось значительно уменьшить отставание отечественной науки от зарубежных исследователей в области разработки технологии эпитаксиального выращивания и исследовании свойств структур на основе ваК При этом был установлен ряд ранее неизвестных особенностей эпитаксиального роста и свойств эпитаксиальных структур в системе ОаК/АЮа1М.

Научная новизна работы

1. Обнаружено наличие инкубационного периода при низкотемпературном осаждении буферных слоев ОаЫ и ОаАМ в интервале температур 490-520 °С.

2. Обнаружено, что небольшая добавка А1 в низкотемпературный буферный слой ОаИ позволяет значительно повысить качество эпитаксиального слоя ОаК

3. Предложена и применена методика каталитического разложения аммиака при низкотемпературном осаждении буферного слоя. Применение этой методики привело к дальнейшему повышению качества эпитаксиальных слоев ваК В частности, подавлены дефектные полосы в спектре фотолюминесценции нелегированных слоев ваК

4. Обнаружена неоднородность свойств эпитаксиальных слоев ОаЫ по толщине. В частности, выявлено наличие проводящего канала вблизи интерфейса ваМ/сапфир.

5. При росте толстых эпитаксиальных слоев твердых растворов АЮаЫ обнаружен неоднородный характер вхождения А1 и формирование квазипериодических флуктуаций состава твердого раствора АЮаК

Практическая ценность работы.

В результате проведенных исследований в России создана технологическая и экспериментальная база, которая может служить основой для дальнейшей разработки совершенных приборов полупроводниковой электроники и оптоэлектроники на основе нитридов Ш группы. На основе р-п переходов в эпитаксиальных слоях и многослойных гетероструктурах созданы светоизлучающие диоды с длиной волны в максимуме интенсивности излучения в диапазоне 460-362 нм. Научные положения, выносимые на защиту.

1. В эпитаксиальных слоях ОаЫ существенное уменьшение плотности поверхностных дефектов, снижение фоновой концентрации (N¿-N2) и уменьшение полуширины пика краевой фотолюминесценции может быть достигнуто в результате введения триметилалюминия в атмосферу реактора при осаждении буферного слоя ОаИ (использование буферного слоя ОаАМ)

2. Использование каталитического разложения аммиака при низкотемпературном осаждении буферного слоя ОаИ (как с добавкой А1, так и без нее) повышает однородность эпитаксиальных слоев ОаЫ и значительно снижает интенсивность дефектных полос в спектрах фотолюминесценции.

3. Получение эпитаксиальных слоев GaN п- и р- типа проводимости возможно при введении в атмосферу реактора моносилана ( SiHLj ) и бисциклопентадиенила магния (Mg(C5H5)2 ), соответственно. Для получения р-типа проводимости с концентрацией

18 3

(Na-Nd) до 1+3*10 см" необходим дополнительный отжиг слоев в атмосфере азота при температуре 1000-1300 °С в течение 15-60 секунд.

4. Выращивание эпитаксиальных слоев твердых растворов AlxGai-xN с мольной долей A1N в интервале 0+0.1 возможно при введении в атмосферу реактора триметилалюминия в количестве 0+8 мкмоль/мин при потоке триметилгаллия 36 мкмоль/мин. Параметры процесса эпитаксиального роста по сравнению с эпитаксиальным выращиванием GaN не изменяются.

5. На основе р-n переходов в эпитаксиальных слоях GaN и многослойных гетероструктурах GaN/AlGaN возможно создание светодиодов с максимумом интенсивности излучения в диапазоне 460-362 нм и эффективностью до 0.5%. Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на 7-ми международных, одной Всероссийской и одной городской студенческой конференции по физике полупроводников. Основное содержание диссертации опубликовано в двадцати одной печатной работе [1*-21*]. Структура и объем.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 152 страницах, включая 81 страницу текста, 61 рисунок и 6 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 79 наименований.

Первая глава содержит обзор литературы на конец 1997 года по МО ГФЭ GaN на сапфире, проблемам легирования, эффективной излучательной рекомбинации и применяемым конструкциям светоизлучающих диодов на основе GaN и его твердых растворов.

Во второй главе описывается применявшееся технологическое оборудование, методики эпитаксиального выращивания GaN, постростовой обработки структур и методы исследования полученных образцов.

В третьей главе описываются особенности низкотемпературного осаждения буферного слоя ваИ, влияние параметров осаждения буферного слоя на свойства эпитаксиального слоя ОаЫ, особенности структуры и свойств эпитаксиальных слоев ОаК Четвертая глава посвящена легированию ОаЫ для получения эпитаксиальных слоев п- и р-типа проводимости.

В пятой главе описываются особенности эпитаксиального роста твердых растворов АЮаИ и гетероструктур ОаЫ/АЮаК

В шестой главе приведены результаты исследований светодиодных структур различных типов, выращенных методом МО ГФЭ в системе ОаМ/АЮаК

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Лундин, Всеволод Владимирович

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Определены оптимальные параметры процесса эпитаксиального выращивания слоев GaN с использованием низкотемпературных буферных слоев GaN.

2. Определены особенности процесса низкотемпературного осаждения тонких буферных слоев GaN на сапфире. Обнаружено наличие "инкубационного периода" в интервале температур 490-520 °С, во время которого осаждения GaN не происходит.

3. Предложены и разработаны новые методы повышения совершенства эпитаксиальных слоев GaN: использование буферных слоев GaAIN и каталитическое разложение аммиака при осаждении буферных слоев GaN и GaAIN. Параметры полученных эпитаксиальных слоев - полуширина кривой рентгеновской дифракции не более 5.5 угловых минут в режиме ш-сканирования и 25 угловых секунд в режиме 0-20 сканирования, полуширина линии краевой ФЛ 11-12мэВ при 77К, концентрация if л

N(j-Na) не более (2-3)* 10 см" - находятся на уровне лучших мировых результатов. Проведены исследования свойств эпитаксиальных слоев GaN.

4. Разработаны методы легирования GaN для получения эпитаксиальных слоев р- и п-типа проводимости.

5. Получены эпитаксиальные слои AlGaN с содержанием A1N до 10 моль% и многослойные гетероструктуры GaN/AlGaN и проведены исследования их свойств. В двойной гетероструктуре GaN/AlGaN получена лазерная генерация при оптическом возбуждении при комнатной температуре с пороговой плотностью 85 КВт/см2, что находиться на уровне лучших мировых результатов.

6. Получены прототипы светоизлучающих диодов с длиной волны в максимуме излучения от 460 до 362 нм.

Результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

1*] Some Features of Initial Stages of the GaN Epigrowth by Low Pressure Metalorganic Chemical Vapor Deposition Method. W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, M.E.Gaevski, M.V.Baidakova Third International Symposium on Diamond Films ISDF3, St. Petersburg, Russia, 16-19 June, 1996, Scientific Club of the Polytechnical Institute in Lesnoe, Journal of Chemical Vapor Deposition, V.5, №1. [2*] Study of Initial Stages of the GaN Grows on the Sapphire Substrates, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, M.E.Gaevski, M.V.Baidakova, A.V.Sacharov. 23-rd International Symposium on Compound Semiconductors. St. Petersburg, Russia, 23-27 September, 1996, Astoria Hotel. Inst. Phys. Conf. Ser. No 155: Chapter 3. p 319-322. [3*] Optical and electrical properties of Ш-N structures grown by MOCVD on sapphire substrates W.V. Lundin, A.S. Usikov, U.I. Ushakov, M.V. Stepanov, B.V. Pushnyi, N.M. Shmidt, V. Tret'yakov, M.V. Maximov, A.V. Sakharov. EW MOVPE VII, Berlin, Germany, 8-11 June, 1997. Workshop Booklet, F10. [4*] Surface Morphology and Peculiarities of Stimulated Emission in MOCVD GaN-AlGaN Double Heterostructure A.S. Usikov A.V. Sakharov, M.V.Maximov, W.V. Lundin, B.V .Pushnyi and N.N. Ledentsov EW MOVPE VH, Berlin, Germany, 8-11 June, 1997. Workshop Booklet, F11. [5*] Defect engineering in GaN Technology. N.N.Faleev, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, A.V.Sacharov, N.M.Shmidt, U.I.Ushakov, A.S.Usikov ICDS-19, Aveiro, Portugal, 21-25 July-1997, abstracts, p.41. [6*] The Influence of GaN Buffer Layer Stoichiometry on Properties of GaN Epilayer.

A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.I Ushakov, B.V.Pushnyi, N.M.Shmidt, B.Ya.Ber, Yu.N.Kudryavzev, V.Yu.Davidov, Ш-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The Electrochemical Society and International Society of Electrochemistry, Paris, France. August 31-September5, 1997, Meeting Abstracts, (1841), p 2114.

7*] The Growth Features of Ш-N Layers Grown on Sapphire Substrates and their Optical and Electronic Properties. A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.I. Ushakov, M.V.Stepanov,

B.V.Pushnyi, N.N.Faleev, N.M.Shmidt, V.N.Tret'yakov, Ш-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The

Electrochemical Society and International Society of Electrochemistry, Paris, France. August 31-September5,1997, Meeting Abstracts, (1840), p 2113.

8*] Optical and Structural Characterization of a GaN/GaAIN Laser Heterostructure Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition. A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.LUshakov, B.V.Pushnyi, N.N.Faleev, A.V.Sakharov, T.V.Shubina, AA.Toropov, V.Yu.Davidov, Yu.M.Zadiranov, IH-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The Electrochemical Society and International Society of Electrochemistry, Paris, France. August 31-September5, 1997, Meeting Abstracts, (1834), p 2107.

9*] Electronic and optical properties of the device structures based on GaN after dry etching. A.S.Usikov, W.V.Lundin, U.I Ushakov, B.V.Pushnyi, N.M.Shmidt, Yu.M.Zadiranov, T.V.Shubina, ni-V Nitride Materials and Processes Symposium (Electrochemical Society), Joint International Meeting The Electrochemical Society and International Society of Electrochemistry, Paris, France. August 31-September5,1997, Meeting Abstracts, (1833), p 2106.

10*] Electrical and optical properties of highly strained GaN epilayers, A.S. Usikov, W.V. Lundin, B.V. Pushnyi, N.M. Shmidt, V.Yu. Davidov, A.V. Sakharov, T.V. Shubina, A.A. Toropov, N.N. Faleev, M. Shcheglov, A.F. Tsatsul'nikov, Proceedings of the 7~ International Conference on Silicon Carbide, Dl-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1393-1396.

11*] Some features of a nucleation layer growth process and its influence the GaN epilayer quality, W.V. Lundin, A.S. Usikov, B.V. Pushniy, U.I. Ushakov, M. Stepanov , N.M Shmidt,A.V Sakharov Yu.M. Zadiranov, S.M. Suturin, V. Busov, Proceedings of the 7~ International Conference on Silicon Carbide, Hi-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1125-1128.

12*] Optical and structural studies of thick AlGaN alloy layers and AlGaN/GaN heterostructures on sapphire substrates, W.V.Lundin , A.S.Usikov, B.V.Pushnyi, U.LUshakov, M.Stepanov, N.M.Shmidt, T.V. Shubina, A.V. Sakharov, N.N.Faleev, V.A.Solov'ev, A.A. Sitnikova, Yu. Kudriavtsev, B.Ya.Ber, Yu.M. Zadiranov Proceedings of the 7- International Conference on Silicon Carbide, Dl-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1315-1318.

13*] basing and gain mechanisms in AlGaN-GaN double heterostructures: correlation with structural properties, J.Holst, M.Strassburg, N.N.Ledentsov, L.Eckey, A.Goldner, A.Hoffmann, D.Rudloff, T.Hempel, F.Bertram, J.Christen, A.V.Sakharov, M.V.Maximov, A.S.Usikov, W.V.Lundin, B.V.Pushniy, Zh.LAlferov, Proceedings of the 7~ International Conference on Silicon Carbide, Ш-nitrides and Related Materials -97, Stockholm, Sweden, September 1997, part 2, p 1291-1294.

14*] Особенности стимулированного излучения при оптической накачке в двойной гетероструктуре GaN/AlGaN. Письма в ЖТФ 23 (15) 53-59 (1997) А.С.Усиков, А.В.Сахаров, М.В.Максимов, В.В.Лундин, Б.В.Пушный и Н.НЛеденцов.

15*] Особенности роста, свойства слоев и гетероструктур GaN и GaAIN, выращенных эпитаксией из металлоорганических соединений, Пушный Б.В., Усиков А.С., Бер Б.Я., Лундин В.В., Сахаров А.В., Ситникова А.А., Степанов М.В., Ушаков Е.И., Фалеев Н.Н., Шмидт Н.М., Шубина Т.В., Ш Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники'97", Москва 1-5 декабря 1997, тезисы докладов стр 359.

16*] Поведение легирующих и фоновых примесей в эпитаксиальных слоях и гетероструктурах GaN/GaAIN, Лундин В.В., Пушный Б.В. Ушаков Е.И., Усиков А.С., Шмидт Н.М., Бер Б.Я., Кудрявцев Ю.А., Соловьев В.А., Шубина Т.В., Ш Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники'97", Москва 1-5 декабря 1997, тезисы докладов стр 283.

17*] Свойства слоев и гетероструктур GaN-GaAIN, выращенных на сапфировых подложках, В.В.Лундин, С.А.Гуревич, 1-я Городская студенческая конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, С-Петербург, 28 ноября 1997, тезисы докладов, стр 11.

18*] Effect of Si doping on structural, photo-luminescence and electric properties of GaN, N.M.Shmidt, A.V.Lebedev, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, V.V.Ratnikov, T.V.Shubina, A.A.Tsatsul'nikov, A.S.Usikov, G.Pozina and B.Monemar, E-MRS'98, Strasbourg, France, June 16-19, 1998, abstracts, L-28.

19*] The peculiarities of optical, electrical and structural properties of the GaN and AlGaN films in relation to MOCVD nonequilibrium growth conditions, A.S. Usikov, B.Ya.Ber, W.V. Lundin, B.V. Pushnyi, N.M. Shmidt, E.LUshakov, A.V.Sakharov, M.N. Tkachuk, A.F. Tsatsulnikov, The Third European GaN Workshop, abstracts p. 73.

20*] Heterostructure for UV LED's Based on Thick AlGaN Layers, A.V.Sakharov, W.V.Lundin, A.S.Usikov, YuA.Kudriavtsev, A.V.Lunev, Y.M.Sherniakov, N.N.Ledentsov. The Third European GaN Workshop, abstracts p 42. [21*] Macro- and microstrains in the MOCVD-grown GaN, A.S.Usikov, V.V.Ratnikov, R.Kyutt, W.V.Lundin, B.V.Pushnyi, N.M.Shmidt, M.P.Scheglov. The Third European GaN Workshop, abstracts p 75.

В заключение автор считает приятным долгом поблагодарить академика Ж.И.Алферова за доверие и поддержку, М.Н.Мизерова и Б.В.Пушного за предоставленную возможность проведения исследований, научных руководителей С.А.Гуревича и

A.С.Усикова за неоценимую помощь при выборе темы, выполнении работы и написании диссертации, Н.Н.Леденцова за интерес к работе, стимулирующие дискуссии и полезные рекомендации, Е.И.Ушакова за активное участие в выращивании эпитаксиальных структур, А.В.Сахарова, Т.В.Шубину, Ю.А.Кудрявцева и

B.Ю.Давыдова за помощь в характеризации структур и плодотворное обсуждение результатов.

Особую благодарность за всестороннюю помощь в проведении исследований и идейное стимулирование автор испытывает к Н.М.Шмидт.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лундин, Всеволод Владимирович, 1998 год

Список цитируемой литературы

[1] А.Э.Юнович, Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов (обзор), Светотехника, №5-6,1996, стр. 2-6

[2] S.Nakamura, First Succesfull Ш-V Nitride Based Laser Diodes, Proc. of the International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba University, Japan, March 1996, p. 48-53

[3] LAkasaki, H.Amano, YXoide, K.Hiramatsu, and N.Sawaki, Effects of A1N buffer layer on crystallographic structure and electrical and optical properties of GaN and Gai.xAlxN (0<x<0.4) films grown on sapphire substrates by MOVPE, J. of Crystal Growth 98 (1989) p. 209-219

[4] S.Nakamura, GaN Growth Using GaN Buffer Layer, Jpn. J. Appl. Phys., 30(1991), L1705

[5] S.Nakamura, InGaN/GaN/AlGaN-Based Laser Diodes With an Estimated Lifetime of Longer Than 10000 Hours, MRS Bulletin. May 1998, p.37-43

[6] Compound Semiconductor, Nov/Dec 1995, p. 8

[7] S.D.Laster, F.A.Ponce, M.G.Craford, and DA.Steigerwald, High dislocation densities in high efficiency GaN-based light-emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 66 (10), March 1995

[8] H.S.Kong, M.Leonard, GJBulman, G.Negley and J.Edmond, AlGaN/GaN/AlGaN double heterojunction blue LEDs on 6H-SiC substrates, MRS Symp. Proc., V395, p.903-907

[9] R.D.Dupuis, Epitaxial growth of Ш-V nitride semiconductors by metalorganic chemical vapor deposition, J. of Crystal Growth 178 (1997), p.56-73

[10] Берг А., Дин. П. Светодиоды. Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича, М. Мир, 1979

[11] S.Strite and H.Moicoc, GaN, A1N, and InN: A review, J. Vac. Sci. Technol, В 10 (4), Jul/Aug 1992, p. 1237-1266

[12] H.Morcoc, S.Strite, G.B.Gao, M.E.Lin, B.Sverdlov, and M.Bnms, Large-band-gap SiC, Ш-V nitride, and П-VI ZnSe-based semiconductor device technologies, J.Appl. Phys. 76 (3), August 1994,1363-1398.

[13] LAkasaki and H.Amano, Crystal Growth and Conductivity Control of Group Ш Nitride Semiconductors and Their Application to Short Wavelength Light Emitters, Jpn. J. Appl. Phys. V 36 (1997), p. 5393-5408.

[14] Proc. of International Conference on Silicon Carbide, Ш-nitrides and Related Materials - 1997, September 1997, Stockholm, Sweden.

[15] Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan.

[16] Proc. International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba University, Japan, March 1996

[17] MRS Symposium Proc., V395

[18] J.W.Yang, J.N.Kuznia, Q.C.Chen, M. Asif Khan, T.George, M.DeGraef and S.Mahajan, Temperature-mediated Phase Selection During Growth of GaN on (111)A and (111)B GaAs Substrates, Appl. Phys. Lett., 67(25), Desember 1995, p.3759-3761

[19] Y.Xie, Y.Qian, S.Zhang, W.Wang, X.Liu and Y.Zhang, Coexistance of wurtzite GaN with zincblende and rocksalt studied by X-ray power diffraction and high-resolution transmission electron microscopy, Appl. Phys. Lett. 69(3), July 1996, p.334-336.

[20] См. например Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, Session M2 "Composition Inhomogeneity"

[21] Q.Chen, M.Asif Khan, J.W.Yang, C.J.Sun, M.S.Shur, and H.Park, High transconductance heterostructure field-effect transistors based on AlGaN/GaN, Appl. Phys. Lett. 69 (1996), p. 794796

[22] M.A.Khan, Q.Chen, J.W.Yang, CJ.Sun, BJLim, M.Z.Anwar, M.Blasingame, M.S.Shur and M.Temkin, GaN-InGaN Based Optoelectronic Devices, Proc. of the International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba University, Japan, March 1996, p.283-288

[23] S.Porowski, Bulk and Homoepitaxial GaN - Growth and Characterization, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, p.430-432

[24] S.Nakamura, M.Senoh, S.Nagahama, Niwasa, T.Yamada, T.Matsushita, H.Kiyoku and Y.Sugimoto, InGaN multy-quantum-well structure laser diodes grown on MgAl204 substrates, Appl. Phys. Lett. 68 (15) April 1996

[25] J.Edmond, GBulman, H.S.Kong, MJLeonard, K.Doverspike, W.Weeks, J.Niccum, S.Sheppard, G.Negley, and D.Slatter, Nitride-based Emitters on SiC substrates, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, S-2

[26] KJtaya, M.Qnomura, J.Nishio, L.Sugiura, S.Saito, M.Suzuki, JJRennie, S.Nonoue, M.Yamomoto, H.Fujimoto, YXokubun, Y.Ohba, GHatakoshi, and MJtshikawa, Room Temperature Pulsed Operation of Nitride Based Multy-Quantum-Well Laser Diodes with Cleaved Fasets on Conventional C-Face Sapphire Substrates, Jpn. J. Appl. Phys. V 35 (1996), p. LI315-1317.

[27] B.P.Keller, SXeller, D.Kapolnek, W.-NJiang, Y.-F.Wu, H.Masui, X.Wu, B.Heying, J.S.Speck, U.K.Mishra, and S.P.DenBaars, Metalorganic Chemical Vapor Deposition Growth of High Optical Quality and High Mobility GaN, J. of Electr. Mat., V 24, No 11,1995, p.1707-1709

[28] X.Li, D.VJForbes, S.Q.Gu, DA.Tumbull, S.GBishop, and JJ.Colerman, A New Buffer Layer for MOCVD Growth of GaN on Sapphire, J. of Electr. Mat., Vol 24, No. 11,1995 p 1711-1714

[29] KUshida, A.Watanabe, F.Yano, M.Kouguchi, T.Tanaka, and S.Minagawa, Nature of Nitridated Layers Formed on the Sapphire Surface and Their Effect on the Growth of GaN, Proc. of the

International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba University, Japan, March 1996, p. 48-53

[30] F.Sholz, V.Harle, H.Bolay, F.Steuber, B.Kaufinann, GReyher, A.Domen, O.Gfrorer, S.-J.Im, and A.Hangleiter, Low Pressure Metalorganic Vapor Phase Epitaxial Growth of GaN/GalnN Heterostructures, Proc. of Topical Workshop on DI-V Nitrides, Nagoya, September 1995

[31] F.A.Ponce, Microstructure of GaN Epitaxy on Sapphire, Proc. of the International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba University, Japan, March 1996, p. 225-229

[32] D.K.Gaskill, A.E.Wickenden, K.Doverspike, B.Tadayon, and L.B.Rowland, The Effect of Organometallic Vapor Phase Epitaxial Growth Conditions on Wirtzite GaN Electron Transport Properties, J. ofElectr. Mat., V 24, No. 11,1995, p. 1525-1530

[33] V.Harle, H.Bolay, F.Steuber, B.Kaufmann, G.Reyher, A.Dornen, F.Scholz, Growth optimization of GaN-layers in MOVPE, Proc. of the Six European Workshop on Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy and Related Growth Techniques, Gent, Belgium, June 1995, B2

[34] S.Keller, DJKapolnek, B.P.Keller, Y.Wu, B.Heying, J.S.Speck, U.K.Mishra, and S.P.Denbaars, Effect of the Trimethilgallium Flow during Nucleation Layer Growth on the Properties of GaN Grown on Sapphire, Jpn. J. Appl. Phys, V 35 (1996) p. L285-288

[35] A.G.Thompson, A.Gurary, C.Yuan, T.Salagaj, C.S.Chern, K.Moy, P.Moy, P.Zawadzki, RA.Stall, C.-Y.Hwang, Y.Li, M.Schurman, W.E.Mayo, Y.Lu, S.J.Pearton, S.Krishnankutty, and RM.Kolbas, The Growth of p-type and n-type Epitaxial GaN films in Production Scale Multi-Wafer Rotating Disc MOCVD Systems, Proc. of the Six European Workshop on Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy and Related Growth Techniques, Gent, Belgium, June 1995, B1

[36] W.Van der Stricht, LMoerman, P.Demeester, J.A.Crawley, EJ.Thrush, P.GJVÜddleton, C.Trager Cowan, K.P.O'Donnell, The Effect of GaN Nucleation Layer on GaN Film Properties Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MRS Symposium Proc. V 395, p. 231-236

[37] C.A.Tran, R.Karlicek,Jr., M.Shurman, T.Salagaj, RCassidy, LFerguson, A.G.Thompson, RA.Stall, C.-Y.Hwang, Structural properties of GaN grown by MOVPE turbodisc mass-production reactor, J. of Crystal Growth 174 (1997), p.647-652.

[38] J.S.Speck, X.H.Wu, P.Fini, EJ.Tarsa, B.Heying, S.KeUer, U.K.Mishra, and S.P.Denbaars, MOCVD Growth Mechanism and Crystal Characterisation of Ill-Nitrides on Sapphire, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, p. 208-210

[39] LAkasaki, H.Amano, M.Kito and KHiramatsu, Photoluminescence of Mg-doped p-type GaN and electroluminescence of GaN p-n junction LED, J. of Luminescence 48 (1991), p. 666-670

[40] Четверикова И.Ф., Чукичев М.В., Храмцов А.П., Оптические свойства нитрида галлия, части 1,2. Обзоры по электронной техн., сер.6 - Материалы, вып. 8 (911), 1982, вып. (945), 1983.

[41]M.Inamori, H.Sakai, T.Tanaka, H.Amano and LAkasaki, Direct Patterning of the Current Confinement Structure for p-Type Column-Ш Nitrides by Low-Energy Electron Beam Irradiation Treatment, Jpn. J. Appl. Phys. V 34 (1995), p. 1190-1193

[42] S.Nakamura, M.Senoh and T.Mukai, P-GaN/N-biGaN/N-GaN Doubl-Heterostructure Blue-Light-Emitting Diodes, Jpn. J. Appl. Phys. V 32 (1993), p. L8-L11

[43] S.Nakamura, T.Mukai, M.Senoh and N.Iwasa, Thermal Annealing Effects on P-Type Mg-Doped GaN Films, Jpn. J. Appl. Phys. V 31 (1992), p. L139-142

[44] MAsif Khan, Q.Chen, RA.Skogman, and J.N.Kuznia, Violet-blue GaN homojunction light emittihg diodes with rapid thermal annealedp-type layers, Appl. Phis. Lett. 66 (16), April 1995, p. 2046-2047

[45] N.M.Johnson, RJD.Burnham, RA.Street, and R.L.Thomton, Hydrogen passivation of shallow-acceptor impurities in p-type GaAs, Phys. Rev. B, 1986, p. 1102-1105.

[46] RWinterhoff, V.Frey, F.Sholz, Mg doping of MOVPE AlbP for applications as barrier layers in short wavelength AlGalnP lasers.

[47] C.Yuan, T.Salagaj, A.Guraiy, P.Zawadzki, C.S.Chem, W.Kroll, RA.Stall, Y.Li, M.Shurman, C.Y.Hwang, W.E.Mayo, Y.Lu, S.J.Pearton, S.Krishnankutty, and RM.Kolbas, High Quality P-Type GaN Deposition on c-Sapphire Substrates in a Multiwafer Rotating-Disk Reactor, J. Electrochem. Soc., V142, №9,1995.

[48] W.Gotz, N.M.Johnson, J.Walker, D.P.Bour, H.Amano and LAkasaki, Hydrogen passivation of Mg acceptors in GaN grown by metalorganic chemical vapor deposition, Appl. Phys. Lett. 67 (18), October 1995, p. 2666-2668

[49] S.Nakamura, N.Iwasa, M.Senoh and T.Mukai, Hole Compensation Mechanism of P-Type GaN Films, Jpn. J. Appl. Phys. V 31 (1992), p. 1258-1266

[50] N.M.Johnson, W.Gotz, J.Neugebauer, and C.G.Van de Walle, Hydrogen in GaN, MRS Symp. Proc., V395 , p. 723-732.

[51] SJNakamura, T.Mukai and M.Seno, High Power GaN P-N Junction Blue-Light-Emitting Diodes, Jpn. J. Appl. Phys., 30, LI 998, (1991)

[52] PJBergman, G.Ying, B.Monemar, and P.OJHolz, Time-resolved spectroscopy of Zn- and Cd-doped GaN, J. Appl. Phys. V.61 (1987), p.4589-4592

[53] S.Nakamura, T.Mukai, and M.Senoh, Candella-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure bleu-light-emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 64 (13) 1994, p. 1687-1689

[54] S.Nakamura, M.Senoh, NJwasa, and S.Nagahama, High-power InGaN single-quantum-well-structure blue and violet light-emitting-diodes, Appl. Phys. Lett. 67 (1995), p. 1868-1870

[55] S.Nakamura, M.Senoch, NJwasa, S.Nagahama, T.Yamada, and T,Mukai, Superbright Green biGaN Single-Quantum-Well Structure Light-Emitting Diodes, Jpn., J. Appl. Phys. V34 (1995), p. L1332-1335

[56] S.D.Lester, M.J.Ludowise, K.P.Killen, B.H.Perez, J.N.Miller, S.J.Rosner, High-Efficiency InGaN MQW Blue and Green LED's, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushitna, Japan, p. 510-511

[57] Регулятор расхода газа РРГ-3. Эксплуатационная документация. Книга 2. Техническое описание и инструкции по эксплуатации. 3.486.038.ТО

[58] Г.Г.Девятых, АДЗорин, "Летучие неорганические гидриды особой чистоты", Москва, "Наука", 1974.

[59] MJDauelsberg, L.Kadinski, Y.Makarow, D.Schmitz, G.Strauch, E.Woelk, HJurgensen, MOCVD Equipment for Recent Developments towards the Blue and Green Solid State Laser, Proc. of the International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba University, Japan, March 1996, p. 549-553

[60]Z.J.Yu, J.H.Edgar, A.U.Ahmen, and A.Rys, Metalorganic Surface Chemical Adsorption Deposition of AIN Films by Ammonia and Trimethilaluminum, J. of Electrochemical Society, 138 (1991)p.l96-198.

[61] C.-Y.Hwang, MJ.Schurman, W.Y.Mayo, Y.-C.Lu, RA.Stall, and T.Salagaj, Effect of Structural Defects and Chemical Impurities on Hall Mobilities in Low Pressure MOCVD Grown GaN, J. of Electr. Mat., V26 №3,1997, p.243-251

[62] Э.Эдьелесан, ДРуайе, "Упругие волны в твердых телах", перевод с французского под ред. ВВЛеманова, М. "Наука" 1982

[63] W.A.Melton, J.I.Pankove, GaN growth on sapphire, J. of Ciyst. Growth, 178 (1997), p. 168-173.

[64] PJFini, EJ.Tarsa, X.H.Wu, Y.Golan, S.Keller, S.P.Denbaars, and J.S.Speck, Determination of the Mechanisms of Extended Defect Formation in GaN Films Grown on Sapphire by MOCVD, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, p.212-213

[65]Y.Park and D.Pavlidis, Mass spectroscopy Study of GaN Metalorganic Chemical Vapor Deposition, J. of Electr. Mat.., Vol 25, No. 9,1996, p 1554-1560

[66] A.Thon, T.F.Kuech, Gas Phase Adduct Reactions in MOCVD Growth of GaN, MRS Symposium Proc. V 395, p. 97-102

[67] J.SJm, A.Moritz, F.Steuber, V.Harle, F.Sholtz, and A.Hangleiter, Radiative carrier lifetime, momentum matrix element, and hole effective mass in GaN, Appl. Phys. Lett. 70 (5), February 1997, p. 631-633.

[68] D.L.Rode, D.K.Gaskill, Electron Hall mobility of n-GaN, Appl.Phys.Lett., 66 (15) April 1995, p. 1972-1973

[69] N.Kiroda, C.Sasaoka, A.Kimura, A.Usui, Y.Mochizuki, Precise control of pn-junction profiles for GaN-based LD structures using GaN substrates with low dislocation densities, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, p.392-393

[70] C.Sasaoka, H.Sunakawa, AJKimura, M.Nido, A.Usui, A.Sakai, High Qality InGaN MQW on Low-dislocation-density GaN Substrates Grown by Hydride Vapor Phase Epitaxy, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, p.452-454

[71] B.Schineller, A.Guttzeit, O.Schon, M.Heuken, K.Heim, RBeccard, Investigation of thermal annealing process on the activation of Mg acceptors and the structural quality of GaN, International Conference on Silicon Carbide, Ill-Nitrides and Related Materials, Stockholm, Sweden, September 1997, Abstracts, p.548-549.

[72] H.Lu and LBhat, Magnesium doping of GaN by metalorganic chemical vapor deposition, MRS Symposium Proc. V395, p.497-502.

[73] B.Monemar, Basic DI-V Nitride Research - Past, Present and Future, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, p. 6-8

[74] J.Neugebauer and C.G.Van de Walle, Atomic geometry and electronic structure of native defects in GaN, Physical Review B, V.50 №11, September 1994, p.8067-8070

[75] GA.Antypas, L.WJames, Liquid Epitaxial Growth of GaAsSb and its Use as a High-Efficiency Long-Wavelength Threshold Photoemitter, J. Appl. Phys ,41 (1970), p.2165-2171

[76] F.Scholz, J.Off, A.Kneist, Influence of strain and buffer layer type on In-incorporation during GalnN MOVPE (L-VH), E-MRS'98, Strasbourg (France), June 1998, Book of Abstracts, p. L-10

[77] Y.Kawaguchi, M.Shimizu, KHiramatsu, and N.Sawaki, The composition pulling effect in InGaN growth on the GaN and AlGaN epitaxial layers grown by MOVPE, MRS. Symp. Proc., V 449, p.89-94

[78] T.Deguchi, TAzuhata, T.Sota, S.Chichiby, and S.Nakamura, Optical Absorption Coefficient in Wurtzite GaN, Proc. of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 1997, Tokushima, Japan, p. 300-301

[79] F.Hide, M.A. Diaz-Garcia, and A.J.Heeger, Luminescent polymers promise novel lasers, Laser Focus Wold, May 1997, p.151-155