Разработка физических основ молекулярно-пучковой эпитаксии для создания полупроводниковых наноструктур и ВТСП соединений

• Автор: Мамутин, Владимир Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 300 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Общий подход к механизмам роста в молекулярно - пучковой

эпитаксии (МПЭ). Теория и эксперимент

1.1. Общие физические аспекты роста в МПЭ. Особенности роста

ВТСП соединений

1.2. Физические особенности роста МПЭ нитридных соединений I1I-N (AlGalnN)

1.3. Особенности МПЭ роста нитридных соединений с малым содержанием азота III-V-N (InGaAsN)

Глава 2. Нитридные соединения III-N: AlGalnN

2.1. Получение GaN, AIN и твердых растворов (ТР)

2.1.1. Установка МПЭ с плазменными источниками азота
2.1.2. Методы создания азотной плазмы для МПЭ и характеристики

тазмы из разных источников
2.1.3. Получение GaN, AIN и твердых растворов на различных подложках и их свойства
2.1.4. Получение кубической модификации GaN
2.2. Получение и исследование InN
2.2.1. Технологические особенности получения МПЭ нитрида индия
2.2.2. Физические свойства нитрида индия
2.3. Получение и исследование колончатых структур нитридов AlGalnN
2.3.1. Колончатые структуры GaN и их физические свойства
2.3.2. Колончатые структуры InN, их физические свойства и механизм роста
Глава 3. Нитридные соединения III-V-N: InGaAsN с малым содержанием азота..
3.1. Выращивание твердых растворов InGaAsN
3.2. Напряженно - компенсированные сверхрешетки (НКСР)
3.3. Гетероструктуры с квантовыми точками
3.4. Лазеры на основе твердых растворов и НКСР InGaAsN
Глава 4. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)
4.1. Установка МПЭ для роста ВТСП соединений с плазменным источником
4.2. Выращивание ВТСП соединений (системы YhBaCuO и DyBaCuO)
4.2.1. Система YbBaCuO
4.2.2. Система DyBaCuO
4.3. Физические свойства ВТСП пленок
4.4. Механизмы роста тонких пленок ВТСП
Глава 5. Квантовые каскадные лазеры (KKJI)
5.1. Требования к квантовым каскадным лазерам и состояние проблемы
5.1.1. Волноводы и резонаторы. Резонатор Фабри-Перо
5.1.2. ККЛ с распределенной обратной связью
5.1.3. Специальные конструкции ККЛ
5.2. Получение и характеризация ККЛ
5.2.1. Лазеры с изопериодической сверхрешеткой с трехямной активной областью
5.2.2. Лазеры с напряженно-компенсированными сверхрешеткалш с четырехямной активной областью
Заключение

Введение.
Актуальность темы. Полупроводниковые наноструктуры являются важнейшими объектами исследований современной физики и полупроводниковой оптоэлектроники. Оптоэлектроника и се достижения - неотъемлемая часть жизни современного общества. Развитие этой области и ее элементной базы во многом определяется освоением технологий новых материалов, развитием новых подходов к пониманию процессов синтеза и их взаимосвязи со свойствами материалов и приборных структур, совершенствованием технологии, базируясь на физических основах ростовых процессов.
Конец прошлого века и первое десятилетие 21 века ознаменовались активным освоением таких материалов, содержащих азот, как Щ-И (АЮа1п1Ч) и Ш-У-М (1пОаЛх:). Интерес к этим материалам и наноструктурам вызван возможностью создания лазеров, фотоприемников и фотопреобразователей со специфическими характеристиками, перекрывающими весь видимый диапазон спектра. Особенно интересные применения наметились в последние годы с открытием неожиданно малой запрещенной зоны у нитрида индия (-0.7 эВ), вместо общепризнанной (-1.9 эВ), что дает возможность перекрывать спектр светового диапазона от ультрафиолетового до инфракрасного в рамках одной нитридной технологии, и делает возможным получение высокоэффективных солнечных элементов, способных в будущем заменить существующие источники энергии.
Другими важными направлениями, получившими развитие в эти же годы, являлись получение квантоворазмерных объектов (квантовым точек, ям, проволок, сверхрешеток и колончатых структур) со свойствами, принципиально отличными от свойств объемных материалов, а также (после открытия в 1986 г.) высокотемпературных сверхпроводников.
Первые эксперименты показали, что обычной молекулярно- пучковой эпитаксии (МПЭ) недостаточно для реализации таких соединений, и требуется привлечение плазменных источников азота и кислорода.

зависимость энергии дна зоны проводимости матрицы), Ем (к), ах - концентрация атомов азота в слое. Энергия запрещенной зоны InyGai.yAsi.xNx соответствует нижнему собственному значению гамильтониана £_ согласно уравнению:
£. _ £;у+£’м±У(£А'~£м)2+4 С2лгм* ^ ^ 2)
где Е+ - энергия, соответствующая оптическому переходу между валентной зоной и второй подзоной зоны проводимости [18]. Причем, и Сим - это экспериментально определяемые параметры, а сама ВАС- модель была развита для ОаЫхАя|.х и 1пу(1а| уЛя|. хИх с содержанием индия меньше 8%. В случае внедрения азота в слои 1пу(!а]_УАн положение локализованного уровни азота при комнатной температуре описывается формулой:
Еы(у) -1.65- 0.4у(1~у), [эВ] (1.3.3).
Существует согласие, что ВАС- параметры для СаМхЛх|_х (Ец = 1.65 эВ и Сим ~ 2.7 эВ) хорошо описывают энергию запрещенной зоны в «широком» диапазоне концентраций азота х (меньше 5%) [18]. Трудности с ВЛС-параметрами возникают из-за того, что значение Ей для Оа1пЛ5 неизвестно из эксперимента, и параметры для ГпСаАзК могут быть получены аккуратными измерениями Е. и Е+ переходов как функции содержания азота при различных гидростатических давлениях. Но для четверных ТР трудно определить концентрацию азота с достаточной точностью. А требуется высокая точность, так как с концентрацией азота сильно меняется запрещенная зона. Более того, напряжения в четверных слоях 1пОаАБКт на подложках ОаЛэ с большим содержанием индия усложняют анализ параметров. Это означает, что ВАС-параметры могут быть аккуратно определены только для тройных ТР или для решеточно согласованных четверных. Прогресс в достижении тройных ТР 1пАяМ и ОзАбИ позволил получить параметры для этих ТР, а именно Ей - 1-44 и Сим = 2.0 эВ [19]. В этой работе было предложено вычислять Ей и Сим, используя квадратичную форму: