Автореферат (Дислокационная люминесценция в нитриде галлия)

На правах рукописиМедведев Олег СергеевичДИСЛОКАЦИОННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В НИТРИДЕ ГАЛЛИЯ01.04.10 – физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург20182Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучныйруководитель:Официальныеоппоненты:Вывенко Олег Федорович,доктор физико-математических наук, профессоркафедры электроники твёрдого тела ФГБОУ ВО«Санкт-Петербургский государственный университет»Заморянская Мария Владимировна,доктор физико-математических наук, зав.

лаб. «Диффузия и дефектообразование в полупроводниках»,Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН,г. Санкт-ПетербургЯкимов Евгений Борисович,доктор физико-математических наук, профессор,главный научный сотрудник Института проблем технологии микроэлектроники РАН, г. ЧерноголовкаВедущая организация:Институт физики твёрдого тела Российской академиинаук (ИФТТ РАН), г. ЧерноголовкаЗащита состоится «___» ___________ 2018 г. в _____ часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.33 по защите диссертаций на соисканиеученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук приСанкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, СанктПетербург, Петродворец, ул. Ульяновская д.

5, ауд. 209.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета. Диссертация иавтореферат диссертации размещены на сайте СПбГУ: www.disser.spbu.ru.Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просимнаправлять по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, ул.

Ульяновская,д.1, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.232.33 А.М. Поляничко.Автореферат разослан «___»_____________2018 г.Ученый секретарь диссертационного советак.ф.-м.н., доцентА.М. Поляничко3Актуальность работыНитрид галлия и твёрдые растворы других тринитридов являются основойдля промышленного производства светоизлучающих приборов в видимой области спектра и перспективными материалами для создания рзличных устройств силовой и оптоэлектроники. Именно на этих материалах были созданы «эффективные синие светодиоды, которые сделали возможными яркие и энергосберегающиебелые источники света», за что Накамуре и др. в 2014 году была присуждена Нобелевская премия.

Вследствие отсутствия коммерчески доступных подложек с совершенной кристаллической структурой GaN, кристаллы и плёнки этого материала выращиваются гетероэпитаксиально на монокристаллических подложках изсапфира или, реже, из карбида кремния и кремния. Большая разница в постоянныхрешётках и коэффициентах термического расширения с подложкой приводит когромной плотности дислокаций в выращенных кристаллах GaN, которая, какправило, значительно больше 105 см-2.

Последнее обстоятельство стимулировалопроведение интенсивных исследований, посвящённых изучению свойств ростовых дислокаций, в результате которых было выяснено, что определяющую рольна их электронные свойства играют точечные дефекты и примеси неизвестнойприроды, сегрегированные на дислокациях в процессе роста.Что касается свойств собственно дислокаций свободных от примесных атмосфер, то нынешний уровень понимания электронных свойств дислокаций в GaNдо сих пор значительно уступает достигнутому для элементарных полупроводников – кремния и германия, история исследования которых насчитывает уже болееполувека. Такая ситуация связана с тем, что для исследований свойств дислокаций в элементарных полупроводниках использовались изначально бездислокационные кристаллы, и разработанные для них подходы не могут быть применимы вобразцах с исходной высокой плотностью дислокаций. Единственным способомисследовать свойства свежевведенных дислокаций в GaN была и остается до сихпор локальная пластическая деформация посредством индентирования или нанесения царапин с последующим применением измерительных методик, обладающих достаточным пространственным разрешением.Результаты ранее выполненных исследований показали, что в подавляющембольшинстве случаев дислокации в нитриде галлия как ростовые, так и введённыелокальной пластической деформацией, являются центрами безызлучательной рекомбинации или, в лучшем случае, рекомбинационно неактивными центрами [1].Вместе с тем, феномен люминесценции чистых дислокаций давно и хорошо известен и является общим для широкого круга полупроводников с тетраэдрическойкоординацией как элементарных Si [2], так и бинарных [3], и можно было предположить, что нитрид галлия не является в этом смысле исключением.4Свидетельством чисто дислокационного происхождения люминесцентныхлиний являлись следующие факты: прямое наблюдение индивидуальных светящихся дислокаций [3], чувствительность спектра дислокационного излучения ктонкой структуре ядер дислокаций [4,5], высокая интенсивность дислокационного излучения, связанная с локализацией неравновесных носителей в одномерных квантовых ямах, образованных дислокациями [6].

Что касается GaN, то к моменту постановки настоящей работы подобных свидетельств о чисто дислокационном происхождении нескольких люминесцентных полос, которые возникалипри введении дислокаций в GaN [1], не имелось.Автором настоящей работы в составе исследовательской группы в 2014 годувпервые было найдено, что винтовые дислокации в базисной плоскости в GaN являются эффективными источниками люминесценции со специфическим спектральным составом [7], что и определило содержание диссертации как всестороннее изучение обнаруженного явления с целью установления природы и механизма его происхождения.Задачи диссертационной работыИсходя из вышесказанного, были поставлены следующие задачи настоящегоисследования:1) Методом катодолюминесценции в сканирующем электронном микроскопе исследовать люминесцентные свойства дислокаций различных типов, введённых локальной деформацией.2) Исследовать зависимости интенсивности и спектральных характеристикдислокационного излучения в кристаллах GaN с разным уровнем легирования оттемпературы, механических напряжений и тока электронного луча.3) Исследовать влияние высокотемпературного отжига на свойства получаемой дислокационной структуры и излучения.4) Определить методами просвечивающей микроскопии структуру ядер исследованных дислокаций.Научная новизна1) Обнаружено, что а-винтовые дислокации, введённые локальной пластической деформацией в низкоомные кристаллы GaN, являются источником высокоинтенсивной люминесцентной полосы с энергией излучения 3.15-3.18 эВ при70 К и 3.1 эВ при 300 К.2) Установлено, что полоса указанной дислокационной люминесценции характеризуется тонкой структурой, состоящей из разрешённого дублета узкихспектральных линий, сопровождающихся фононными повторениями53) Исследованы зависимости спектрального положения и интенсивностиполосы дислокационной люминесценции от температуры, механических напряжений и уровня возбуждения, результаты которых привели к выводу о её экситонном происхождении.4) Исследовано влияние высокотемпературного термического отжига надислокационную люминесценцию и показано, что она сохраняется при отжигевплоть до температуры 750 К.5) Обнаружено, что места пересечений винтовых дислокаций могут являются источником высокоинтенсивной специфической люминесцентной полосы сэнергией излучения, отличной от люминесценции регулярных дислокационныхсегментов.6) Продемонстрировано, что а-винтовые дислокации в специально нелегированном нитриде галлия расщеплены на частичные и могут образовывать растянутые дислокационные узлы в местах их пересечений.7) Предложена новая модель оптических переходов на винтовых дислокациях в GaN, учитывающая расщепленный характер их ядер.Положения, выносимые на защиту1) Винтовые дислокации в базисной и призматической плоскостях нитридагаллия в направлениях <11-20>, введённые локальной пластической деформацией, в низкоомных кристаллах GaN, являются источником высокоинтенсивнойлюминесцентной полосы с энергией излучения 3.15-3.18 эВ при 70 К и 3.1 эВ при300 К.

Тонкая структура спектра полосы дислокационного излучения (ДИ) состоит из дуплета узких линией, разделённых промежутком 30-35 мэВ, величинакоторого не зависит от концентрации свободных электронов, механическихнапряжений и температуры и является характеристикой одиночной дислокации.2) Совпадение зависимостей энергетического положения ДИ и излучениясвободного экситона от температуры, от механических напряжений и уровня возбуждения свидетельствуют об экситонном происхождении ДИ.

Компонентыспектрального дуплета ДИ существенно различаются по форме и ширине и температурным зависимостям их интенсивностей. По указанным свойствам высокоэнергетическая компонента подобна прямому экситону, а низкоэнергетическая –непрямому.3) Места пересечений а-винтовых дислокаций обладают собственной линией люминесцентного излучения с энергией ~ 3.3 эВ при температуре 70 К.4) Свежевведенные а-винтовые дислокации в низкоомном GaN расщепленына две 30° частичные дислокации с величиной расщепления 4-6 нм. В местах ихпересечений возможно образование протяжённых узлов размером в несколько разпревышающим величину расщепления прямолинейных сегментов.65) Модель оптических переходов пространственно прямых и непрямых переходов с электронного уровня, образованного дефектом упаковки и частичнымидислокациями, на дырочные уровни азотной и галлиевой частичных дислокаций.Достоверность полученных результатовДостоверность экспериментальных результатов исследования дислокационного излучения и его спектрального состава подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве образцов монокристаллов GaN, выращенных различными методами.