Диссертация (1149967), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Уменьшение давления повышает резкость40гетерограниц, но при этом растет вероятность загрязнения ростовыхматериалов в результате контакта со стенками реактора. Для уменьшениятакого контакта реактор иногда заполняется буферным газом – водородомили азотом.Достоинства метода ГФЭ:1. Большие простота и устойчивость процесса роста.2. Значительная скорость роста (около 10 мкм/час).3. Сравнительно дешевые ростовые материалы.Недостатки метода ГФЭ:1.
Невозможность обеспечить высокую чистоту технологического процесса.2. Невозможность непосредственно контролировать процесс роста.3. Технические сложности, связанные с высокой токсичностью используемыхматериалов.2.3 Изготовление образцов нитрида галлияТонкие эпитаксиальные слои GaN.Образцы нитрида галлия были изготовлены а университете Аалто вФинляндии. Легированные кремнием слои гексагонального нитрида галлиятолщиной 4 мкм выращены методом металло-органической газофазнойэпитаксии на с-плоскостисапфира, предварительно покрытой буфернымслоем нелегированного GaN толщиной 2 мкм. В качестве источников галлия,азота и кремния использовались аммиак, триметил галлия и силансоответственно.Концентрацииэлектрофизическимиметодамисвободныхприэлектронов,комнатнойопределенныетемпературе,висследованных нами образцах 1 – 5 составляют 4,1∙1016 , 3,1∙ 1017, 1,4∙1018,3,4∙1018 и 4,8∙1019 см-3 соответственно.
В образце 1, который специально нелегировался, донорные состояния образованы, по-видимому, кремнием,кислородом и вакансиями галлия. В образцах с низкой концентрацией41кремния не образуется примесная зона, и проводимость при комнатнойтемпературе обеспечивается ионизованными донорами, составляющими 87%от полного числа нескомпенсированных доноров: (300 ) ≈ 0,87( − ),где и – полные концентрации доноров и акцепторов. Уровень донора(кремния) отстоит от зоны проводимости на 30,2 мэВ.
При высокихконцентрациях кремния формируется донорная зона, в этом случае(300 ) = − , где и – полные концентрации доноров иакцепторов.Объёмные кристаллы GaN.Образцы нитрида галлия были выращены методом HVPE в реакторевертикального типа. Эта технология позволяет выращивать объемныекристаллы диаметром до 75 мм на шести подложках одновременно. Вкачестве ростовых материалов использовались:99,99995%)иHCl(хлористыйNH3 (аммиак, чистотаводород,чистота99,999%),транспортирующим газом являлся N2 (азот, чистота 99,99999%),какисточник Ga применялся металлический галлий (чистота 99,99999%).Скорость роста кристаллов GaN составляла 0,2 мм/час при температуре 990оС и давлении в реакторе 700 Торр, парциальные давления GaCl и NH3составляли 0,8·103 Па и 2·104 Па, соответственно.Продолжительностьростового процесса варьировалась от 3 до 25 часов.
Особенностьтехнологического процесса состоит в переходе от начального трехмерногорежима роста GaN к двумерному режиму, что позволяет предотвратитьрастрескивание кристалла в реакторе вследствие ростовых напряжений [22].После завершения роста при остывании кристаллов до комнатнойтемпературы происходило их спонтанное отделение от сапфировойподложки вследствие различия коэффициентов температурного расширениянитрида галлия и сапфира (при остывании тонких кристаллов частонаблюдалось их поперечное растрескивание). В результате были получены42кристаллы нитрида галлия диаметром 52 мм с толщиной от 0.6 мм до 5 мм.На рис.
3.1 изображен вид верхней поверхности образца под микроскопом(50х увеличение).Рисунок 3.1 – Изображение верхней поверхности образца под микроскопом,увеличение 50хПоверхность образцов является зеркально гладкой, на поверхностиприсутствуют ростовые дефекты – ямки, имеющие форму инверсныхгексагональных пирамид, происхождение которых обсуждается в работе [23].43ГЛАВА 3. Оптические свойства эпитаксиальных слоёв GaN:Si.3.1 Общие сведения о GaNНитрид галлия является прямозонным полупроводником с ширинойзапрещённой зоны 3,44 эВ при температуре 300 К.
Параметры решётки прикомнатной температуре = 3,188 Å и = 5,185 Å [24].Схема зонной структуры GaN вблизи Г-точки (k = 0) приведена нарисунке 3.1.Рисунок 3.1 – Зонная структура GaN в Г-точке. Зона проводимости обладаетсимметрией Г6, а самая высокая валентная подзона обладает симметрией Г7 [25]Под действием кристаллического поля вблизи максимумавалентная зона расщеплена на двукратно вырожденную подзону симметрииΓ6 и однократно вырожденную подзонусимметрии Γ1 .
Величина44расщепления валентной зоны под действием кристаллического поля =0,032 эВ [25].При учёте спин-орбитального взаимодействия двукратно вырожденнаяΓ6 расщепляется на подзоны симметрии Γ9 и Γ7 .подзона симметрииНеприводимое представление Γ6 для однократно вырожденной подзоны приучёте спина обозначается как Γ7 . Величина расщепления подзон при спинорбитальном взаимодействии = 0,008 эВ[25]. Энергия связи А-экситонав GaN равна ~28 мэВ [26, 27].Таким образом, оптические свойства кристаллов GaN со структуройвюрцита определяются переходами между тремя валентными подзонами Γ9 ,Γ7 и Γ7 и зоной проводимости Γ6 , которым соответствуют экситонныерезонансы с большими силами осциллятора (экситоны А, В и Ссоответственно)[26, 27].Широкая полоса запрещённой зоны (3,43 эВ) соответствует длиневолны 365 нм, т.е.
край поглощения лежит в ультрафиолетовой областиспектра. Таким образом, высококачественные образцы GaN обладаютвысокой прозрачностью в видимом диапазоне. Спектр излучения объёмногоGaN содержит полосы бесфононного излучения свободных экситонов,экситонов, связанных на нейтральных акцепторах, а также их фононныереплики, соответствующие рождению продольных оптических (LO) фононоврешетки GaN с энергией 91 мэВ.3.2 Спектры отражения и люминесценции эпитаксиальных слоёв GaN:SiВспектрахнаблюдаютсяотражениярезкиеслабоэкситонныелегированногорезонансы,нитридасоответствующиегаллиятремвалентным подзонам, при уровне легирования более 1018 см-3 экситоннаяструктура в спектре отражения уже не наблюдается (рис.
3.2). Для указаниястепенилегированиякремниемисследуемыхобразцовмыбудемиспользовать величину n0, равную концентрации свободных электронов,45полученнойизхолловскихизмеренийприкомнатнойтемпературе.Экситонные резонансы в спектре поглощения (отражения) слоев GaN,выращенных на сапфировой подложке, смещены в сторону высоких энергийотносительноспектрасвободногокристалла. Смещение линииAn=1составляет 17 мэВ, линии Bn=1 − 21 мэВ. Поскольку энергии связи экситоновпри деформации решетки изменяются мало, это различие в энергетическихсдвигахэкситонныхмаксимумовопределяетсядеформационнымипотенциалами верхних валентных подзон Г9 и Г7.
По мере увеличенияконцентрации свободных носителей n0 полосы спектра экситонногоотражения уширяются и сдвигаются в сторону высоких энергий; при n0 >3·1018 см−3 линии An=1 и Bn=1 уже не наблюдаются (рис. 3.2) [28]. Известныезначения диэлектрической проницаемости и эффективных масс электрона итяжелой дырки в GaN дают энергию связи экситона An=1 около 25 мэВ, чтопозволяет интерпретировать полосу спектра отражения слабо легированногокристалла GaN:Si с энергией около 3.514 эВ как линию экситона An=2. Этоподтверждается неизменностью энергетического расстояния между этойособенностью и линией An=1 в спектрах свободного и деформированногокристаллов GaN, поскольку деформация слабо влияет на энергию связиэкситона.46Рисунок 3.2 – Спектры отражения света от ростовых поверхностей слоев кристаллаGaN с различными концентрациями кремния (образцы ##1-5), T=5K.
#1 – 4,1∙1016 см-3, #2– 3,1∙1017 см-3, #3 – 1,4∙1018 см-3, #4 – 3,4∙1018 см-3, #5 – 4,8∙1019 см-3Обратимся к рассмотрению фононных реплик экситонного излучения вспектре низкотемпературной люминесценции слабо легированных образцовGaN:Si, которые возникают при аннигиляции экситона с рождениемпродольных оптических фононов (рис. 3.3).47Рисунок 3.3 - Спектры фотолюминесценции слоев кристалла GaN с разнымиконцентрациями кремния (образцы ##1-5) в полулогарифмическом масштабе,нормированные на максимум интенсивности.
An=1, An=2, Bn=2 – люминесценция свободныхэкситонов; A0x, D0x – люминесценция экситонов, связанных на нейтральных акцепторах идонорах; (An=1 – 1LO), (An=1 – 2LO), (D0x – 1LO), (D0x – 2LO) – фононные повторенияэкситонов с испусканием одного или двух продольных оптических фононов, T=5K. #1 –4,1∙1016 см-3, #2 – 3,1∙1017 см-3, #3 – 1,4∙1018 см-3, #4 – 3,4∙1018 см-3, #5 – 4,8∙1019 см-3Повышение уровня легирования нитрида галлия кремнием в интервалеn0 от 1017 до 1018 см-3 приводит к уширению полос экситонного излучения исмещению спектра излучения в сторону низких энергий (рис.
3.3). Мыобнаружили, что при концентрациях кремния в GaN:Si около 1019 см-3направление сдвига спектра люминесценции изменяется (рис. 3.4).48Рисунок 3.4 - Спектры фотолюминесценции образцов GaN:Si #1−7 в линейноммасштабе, нормированные на максимум интенсивности, T = 5K. 0 — энергияэкситона, связанного на нейтральном доноре, для свободного от напряжений объемногокристалла GaN.
На вставке показана зависимость положения максимумафотолюминесценции Em от концентрации n0 в образцах #1−7. #1 – 4,1∙1016 см-3, #2 –3,1∙1017 см-3, #3 – 1,4∙1018 см-3, #4 – 3,4∙1018 см-3, #5 – 5,0∙1018 см-3, #6 – 2,6∙1019 см-3, #7 –4,8∙1019 см-3Рассмотримболееподробноспектрлюминесценциислаболегированного эпитаксиального слоя GaN:Si (образец 2). Измерениятемпературной зависимости отношения интенсивностей фононных реплик49I(An=1–1LO) и I(An=1–2LO) показало, что оно линейно растет вплоть до 60 К(см. вставку на рис. 3.5).Рисунок 3.5 - спектры фотолюминесценции эпитаксиального слоя GaN: Si сконцентрацией кремния 3.1·1017 см−3 (образец № 2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
