Принципы построения и свойства гетероструктур на основе соединений III-N, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии

• Автор: Петров, Станислав Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Глава 1. Выращивание III-N слоев и гетероструктур (обзор)
1.1 Свойства нитридов металлов третьей группы
1.2 Основные методы получения
1.3 Подложки для эпитаксиального роста
1.4 Влияние условий получения на свойства материалов III-N
1.5 Основные приборные приложения
Выводы и постановка задачи
Глава 2. Оборудование и методика эксперимента
2.1 Установка молекулярно-лучевой эпитаксии нитридов III группы
2.2 Исходные материалы
2.3 Подготовка оборудования
2.4 Средства in situ диагностики ростового процесса
2.4.1 Система лазерной интерферометрии
2.4.2 Система дифракции быстрых электронов
2.5 Калибровка температуры образца
2.6 Методы исследования свойств образцов
Глава 3. Исследования влияния условий роста при рекордно высоких для МЛЭ температурах подложки и потоках аммиака на свойства слоев GaN и гетероструктур GaN/AlGaN
3.1 Определение технологического диапазона отношений V/III и температур подложки при аммиачной МЛЭ GaN на установке STE3N2
3.2 Исследование влияния условий роста на структурное совершенство и морфологию поверхности слоев GaN, выращенных в соответствующих характерных режимах
3.3 Выращивание однопереходных гетероструктур GaN/AlGaN
Выводы
Глава 4. Исследование влияния условий роста слоев InGaN на свойства
гетероструктур GaN/InGaN
4.1 Определение максимально возможных потоков индия, не приводящих к каплеобразованию

4.2 Исследование влияния условий роста слоев ІпСаИ при максимально возможном не приводящем к каплеобразованию потоке индия на свойства гетероструктур
Оа№ЖШ
Выводы
Глава 5. Получение и исследование гетероструктур с двойным электронным ограничением в системе AIN-GaN
5.1 Выращивание двойных гетероструктур Alo.3Gao.7N/GaN/Alo.3Gao.7N
5.2 Выращивание многослойных гетероструктур АШ/АЮаШлаЫ/АЮаЫ
5.3 Получение многослойных гетероструктур АМ/АЮаЫ/ОаИ/АЮаИ с квантоворазмерной шириной канального слоя ОаИ
5.3.1 Моделирование зонных диаграмм в многослойных гетероструктурах AlN/AlGaN/GaN/AlGaN
5.3.2 Выпащивание многослойных гетероструктур АПЧ/АЮаШЗаМАЮаЫ с
квантоворазмерной шириной канального слоя СаИ
Выводы
Заключение
Список цитированной литературы

Благодаря своим уникальным свойствам нитриды металлов третьей группы (III-N) весьма перспективны для создания оптоэлектронных и электронных приборов на их основе. Ширина запрещенной зоны этих прямозонных полупроводников перекрывает весь видимый и значительную часть ультрафиолетового диапазона, а значит на основе этих материалов возможно создание оптоэлектронных приборов, работающих в указанных областях спектра. Высокая термическая и радиационная стойкость, высокие значения пробивных полей, ярко выраженные поляризационные эффекты делают эти материалы привлекательными в высокотемпературной сильноточной электронике и при создании мощных СВЧ-транзисторов. Начиная с семидесятых годов двадцатого века, предпринимались попытки получить эти материалы при помощи различных методов. Однако технологические трудности получения нитридов металлов третьей группы таковы, что долгое время не удавалось получить материал приборного качества. В девяностых годах прошлого столетия произошел стремительный прогресс в технологии выращивания нитридов, что открыло дорогу для создания разнообразных приборов на основе этих материалов.
При выращивании материалов III-N существует ряд проблем, основной из которых является отсутствие дешевых подложек из нитридов металлов третьей группы. Это приводит к необходимости выращивать данные материалы на подложках, в той или иной мере рассогласованных по параметрам кристаллической решетки и коэффициентам термического расширения. Гетероэпитаксия нитридов на подложках из других материалов, несмотря на применение специатьных процедур на начальных стадиях роста, приводят к достаточно высокой плотности дислокаций, что усложняет задачу получения приборных гетероструктур. Типичные значения плотности дислокаций в нитриде галлия составляют Ю8-Ю10 см'2. Основными методами выращивания приборных гетероструктур из нитридов металлов третьей группы являются газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (МОГФЭ, metal organic chemical vapor deposition - MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ, molecular beam epitaxy - МВБ). Метод хлорид-гидридной газофазной эпитаксии (HVPE), при помощи которого были получены первые эпитаксиальные слои GaN пока не используется для выращивания сложных гетероструктур из-за высокой скорости роста (сотни мкм/час). При этом высокая скорость роста позволяет выращивать достаточно толстые (до 100 мкм) слои GaN, плотность дислокаций в которых может быть уменьшена за счет удаления от

Толщины отдельных слоев и общая толщина структуры определяются по числу экстремумов графика с учетом соотношения ЫА/2п, а скорость роста - по формуле УРоста(мкм/час)=0,14'3600/Д1, где ДТ время роста в секундах, соответствующее одному периоду на интерфферограме. При оптимизированном росте, когда затухания осцилляций практически не происходит (или оно находится на уровне не более 5-10% от амплитуды), продолжительность процесса регистрации не имеет принципиальных ограничений по времени в отличие от отражательной дифракции быстрых электронов. Блок-схема системы лазерной интерферометрии представлена на рис. 2.4.
2.4.2 Система дифракции быстрых электронов.
Метод отражательной дифракции быстрых электронов (ОДБЭ) основан на том, что первичный пучок электронов с энергией 5-50 кэВ падает на образец под скользящим углом порядка одного градуса. Дифрагированные пучки электронов создают картину дифракции на флуоресцентном экране, которая может наблюдаться визуально или передаваться на монитор при помощи телевизионной камеры. Картину дифракции создают только упруго рассеянные электроны, при этом вероятность упругого рассеяния в ОДБЭ достаточно велика, так что для наблюдения картины дифракции не требуется применять фильтрацию и дополнительное послеускорение электронов. Дифрагирующая область ограничивается одним-двумя верхними монослоями образца. Электроны, проникающие глубже, не дают вклада в дифракцию, так как при скользящем падении им требуется пройти большой путь в образце, в результате чего они испытывают неупругое рассеяние. Таким образом, метод ОДБЭ фактически даёт информацию о структуре открытой поверхности образца. Поскольку в методе ОДБЭ используется скользящий относительно поверхности пучок электронов, то электронная пушка и флуоресцентный экран могут располагаться па значительном удалении от подложки, не перекрывая потоки молекулярных компонент. Это даёт возможность применять ОДБЭ непосредственно в процессе роста.
Использование ОДБЭ позволяет измерять скорость роста и контролировать состояние ростовой поверхности. Для вычисления скорости роста используется явление осцилляции интенсивности зеркального рефлекса ОДБЭ, связанное с тем, что при росте новых монослоёв гладкая поверхность (степень заполнения слоя равна 1) становится шероховатой по мере нарастания нового слоя и интенсивность дифракционной картины слабеет.