Диссертация (1149550), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При этом отражение на каждом интерфейсе весьма небольшое, асам по себе высокий коэффициент отражения достигается за счет большогочисла пар. В связи с чем являются актуальными вопросы выращиваниягетероструктур с минимальным числом дефектов, примесей, напряжений вслоях, а так же максимально резким гетероинтерфейсом, для уменьшенияпотерь из-за несовершенств выращенной структуры.В настоящее время активно исследуется вопрос о перспективахиспользованиянитридныхгетероструктурдлясозданиябрэгговскихотражателей (БО) для видимой, УФ и дальней-УФ областей, см., например[34].БОпредставляетсобойслоистуюструктуруспериодическименяющимся показателем преломления.
По сути, БО и СР – похожиеструктура. Их отличие заключается в следующем. СР в классическомпонимании – это двумерные плоские гетероструктуры, в которых дляносителей заряда в определенном направлении формируется периодическийпотенциал, который существенно меняет свойства носителей заряда вматериалах слоев в случае, если длина волны де Бройля носителей зарядастановится больше толщин слоев СР. Для этого толщина слоев должна быть20достаточно малой. Как правило, она составляет единицы или десяткинанометров.ВБОслоиподбираютсятак,чтобынаблюдаласьконструктивная интерференция, заключающаяся в практически полномотражении или пропускании для определенного диапазона длин волн.
Какизвестно, явления интерференции наблюдаются при условии, когда толщинаслоя становится сопоставима с длиной волны падающего света. В связи стем, что данные структуры делаются для длин волн из окна прозрачностиматериалов (для гетероструктур GaN/AlN это ультрафиолетовая область), тограничная толщина слоев в брэгговских отражателях составляет сотнинанометров.Можно рассматривать БО как СР с очень большими толщинами слоев.Такой подход оказывается весьма плодотворным и при интерпретацииспектров КРC [35].
Следовательно, все, развиваемые в данной работе методы,можно с равным основанием применять как в исследованиях СР, так и БО.Дальнейшее развитие физики гетероструктур на базе нитридов галлия иалюминия требует изучения и совершенствования методов роста, основнымииз которых являются МПЭ и ГФЭМОС [36].
Необходимо развивать новыеметоды и приборы для характеризации выращенных структур, а так жетеоретические методы, направленные на изучение и предсказания их свойств.Гетероструктуры на базе нитридов уже находят промышленноеприменение, например, в качестве светоизлучающих диодов и лазеров [37,38, 39]. Тем не менее, еще остается вопрос относительно технологическихпараметровдляулучшениякачествавыращиваемойструктуры.Стехнологической точки зрения одной из главных проблем (наряду спроблемой допирования) являются напряжения, возникающие при ростенитридных структур [40].
Напряжения возникают из-за различия постоянныхрешеток в перпендикулярном к [0001] направлению в самих объемныхматериалах. Различие в постоянных решетки в перпендикулярном к [0001]направлению (параметр а0) для объемных GaN и AlN составляет ~2.4%, а дляупругих модулей ~7% [41]. В СР в зависимости от технологических условий21роста деформации в слоях имеют противоположные знаки, а по величинеменяются в пределах ~1-2% [42, 43, 44]. Кроме того, деформации возникаютвследствии использования подложки. На данный момент для нитридныхструктур активно используются подложки Al2O3, 6H-SiC [45].
Наиболеечасто используется подложка Al2O3, рост осуществляется вдоль оси с,направление [0001][46]. В качестве примеров работ, в которых исследуетсярост нитридных структутур на подложке из Al2O3 можно привестиследующие [44, 47, 48, 49, 50, 51]. Данная подложка была использована еще впервых работах 1969 г. по росту GaN [46]. К ее достоинствам можно отнестисравнительно невысокую себестоимость при приемлемом качестве. Кнедостаткам стоит отнести весьма большое рассогласование постоянныхрешеток 16% для случая GaN и 12% для AlN [46], что требует роста толстыхбуферных слоев для уменьшения числа дислокаций и напряжений. Другойчасто используемой подложкой является 6H-SiC.
В качестве примеров работ,в которых исследовались нитридные структуры, выращенные на подложках6H-SiC можно привести [49, 52, 53] Преимуществами данной подложкиявляется меньшие величины рассогласования постоянных решетки. Дляпараметра а0 рассогласование подложки и нитрида галлия примерно 3,1%[46]. Карбид кремния можно легировать, что позволяет использовать его вкачестве контакта. К числу недостатков данного типа подложки можноотнестивысокуювыращиваниягетероструктурстоимость,предварительногоGaN/AlN.Накачествоповерхности,буферногоданныйслоямоментнеобходимостьAlNтакжедляслучаяисследуетсявозможность применения подложки из Si(111) для выращивания структур[54, 55, 56, 57].
Достоинством такого подхода является существеннаядешевизна создания подложки и возможность интегрирования с ужесуществующими устройствами на базе кремния. К числу недостатковотносится формирование дефектов из-за неидеально ровной поверхностиподложки,различиекоэффициентовтермическогорасширения[46],22например, по сравнению с GaN коэффициент термического расширениякремния в 2 раза меньше [46].В такой ситуации приходится выращивать дополнительные буферныеслои, например, SiC, AlxGa1-xN, AlAs, ZnO и др.
для предотвращениявырастания аморфного слоя SixNy и, например, AlN, AlOx и пористыйкремний для предотвращения растрескивания [46]. Еще одним решениемпроблемы деформаций является выращивание объемных кристаллов GaN,которые впоследствии будут использоваться в качестве подложки.
Такимобразом, можно заключить, что на сегодняшний момент рост нитридныхгетероструктур невозможен без использования подложки. Она, а так жедеформации, возникающие в слоях гетероструктуры из-за рассогласованияпостоянных решеток объемных материалов, из которых выращиваются слои,естественным образом влияют на оптические и электрические свойствавыращиваемойструктуры.Всилувысокогоприкладногозначениянитридных гетероструктур, в данной работе этим объектам уделяетсяосновное внимание.1.2 Выводы к главе 1.Вданнойгетероструктурсглавепродемострированаплоскимиинтерфейсами,прикладнаяприведенважностьобзорработ,демонстрирующих перспективность нитридных гетероструктур на базе GaNи AlN.
Описан круг текущих проблем, связанных с ростом и диагностикойвыращиваемых нитридных гетероструктур.23Глава 2. Экспериментальные исследования слоистых гетероструктурметодом спектроскопии комбинационного рассеяния света2.1 Обзор экспериментальных исследований спектров комбинационногорассеяния света в слоистых гетероструктурах.Свойства фононов как возбуждений, непосредственно связанных соструктурой и чувствующих ее особенности, позволяют использовать их дляхарактеризации выращенной структуры, тем более, что в СР и КЯпоявляются особые типы фононов, отсутствующие а объемных кристаллах.Их свойства можно изучать с помощью спектроскопии КРС. Одним изметодовисследованияфононов,чувствительнымкособенностямвыращенной структуры, является спектроскопия КРС (см., например, [58]). Сэкспериментальной точки зрения к достоинствам данного метода можноотнести бесконтактность, неразрушаемость образца, высокую спектральнуюточность определения положения линий КРС, возможность пространственноотделить интересуемую область от, например, буферных слоев илидефектных областей, относительная дешевизна оборудования.Достоинством спектроскопии КРС является, то, что в данномэкспериментальном методе, меняя геометрию съемки, можно изучатьотдельные типы фононов, чувствительные к особенностям выращеннойструктуры.
Из-за сильного влияния интерфейса в двумерных структурахпоявляются особые фононы, чувствительные к особенностям интерфейсов.В низкочастотной области акустических фононов в спектрах КРС длябинарных СР наблюдалась серия дублетов, положение которых зависит оттолщины периода СР (эффект механического конфайнмента фононов) [59,60, 61, 62]. В области оптических фононов с волновым вектором вдольнаправления периодичности в спектрах КРС также наблюдались серии линийс головными линиями при определенных поляризациях близкими к частотамоптических фононов в объемных составляющих. Было показано, что данныелинии чувствительны к деформациям в слоях [60, 61, 62, 63].24Новые по сравнению с объемными материалами типы фононов можноразделить в зависимости от направления волнового вектора на фононы,распространяющиесявдольраспространяющиесявнаправленияплоскостипериодичности,интерфейса.иНаибольшийфононы,интересисследователей привлекли спектральные линии, которые были отнесены кфононам с волновыми векторами в плоскости интерфейса.
Их частоты лежатвдиапазонеполярныхоптическихфононовичувствительныкотносительным толщинам слоев и к качеству гетероперехода. [44, 48, 49, 61,64, 65, 66, 67].Прежде чем перейти к обзору экспериментальных работ, посвященныхизучению КР-спектров слоистых гетероструктур из нитридных материалов,необходимо пояснить используемые в них понятия и обозначения.В случае объемных нитридов галлия и алюминия симметрияэлементарной ячейки P63mc (или C46v) и имеются четыре типа фононов А1,Е1, Е2 и B1. Фононы симметрий А1 и Е1 являются полярными.
Их рамановскиетензоры имеют вид:((())(()()))()(()()(2.1))Фононы симметрии В1 являются неполярными и не проявляются в ИК иКРС спектрах. В соответствии c (2.1), линии разных симметрий можнонаблюдать при следующих условиях съѐмки спектров КРС, представленныхв таблице 1.25Таблица 1 - Геометрии съемки спектров КРС, позволяющие наблюдать модыразной симметрии.модагеометрия КРС [68]A1(TO) ( ) ̅ , ( ) ̅A1(LO) ( ) ,̅ ( ) ̅E1(TO)( ) ̅E1(LO)( ) ( )E2( ) ̅ ( ) ̅Рост планарных гетероструктур GaN/AlN происходит вдоль главнойоси, то есть по оси z.
Из-за наличия интерфейсов в группе симметрии такихструктур исчезает винтовая ось С6, но остается простая поворотная ось С3. Витоге группой симметрии СР GaN/AlN становится пространственная группаP3m1 (или С13v). При этом неприводимые представления E1 и E2 сливаются впредставление E, а A1 и B1 в представление А. Строго говоря, в спектрах КРСсверхрешеток правила отбора (таблица 1) уже не действительны, ноэксперимент показывает, что даже в тонкопериодных СР для большинствамод они выполняются с хорошей точностью.
Таким образом, наблюдение вполяризованныхспектрахопределенныхгруппфононовпомогаетопределить тип симметрии соответствующих фононных мод.В зависимости от направления волнового вектора можно выделитьфононы, распространяющиеся вдоль направления периодичности, и фононы,распространяющиеся в плоскости интерфейса. Из полярных фононов ввюрцитных материалах GaN и AlN к первому типу относятся моды E1(TO) иA1(LO), а ко второму - E1(LO) и A1(TO).Теперьприведемобзоросновныхэкспериментальныхработ,посвященных изучению КР-спектров слоистых гетероструктур из нитридныхматериалов Первая такая работа появилась в 1997 году [69].
В ней былисследован КР-спектр А(LO) мод в КЯ GaN/(AlGa)N. Показано, что А(LO)моды ямы и барьера не смешиваются, а их частоты не зависят от толщиныямного слоя. Сделан вывод о том, что эти моды представляют собой стоячиеволны, принадлежащие фононой ветви со слабой частотной дисперсией.26В первой работе, посвященной изучению СР GaN/AlN [70], в спектрахКРС были обнаружены линии симметрии E(TO), E2 и A(LO), которые былиотнесеныкпоперечнымипродольнымоптическимколебаниямлокализованным в слое GaN. Показано, что частотные сдвиги этих линийможно объяснить влиянием упругих деформаций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
