Гетероструктуры (Al)GaN/AlN для полупроводниковой фотоэлектроники ближнего УФ-диапазона

• Автор: Мазалов, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Фотоприемные приборы УФ-диапазона на основе гетероструктур (Al)GaN/AlN

1.1. Естественное ультрафиолетовое излучение

1.2. Основные параметры полупроводниковых фотоприемных приборов УФ-диапазона

1.3 Основные типы полупроводниковых фотоприемных приборов УФ-диапазона

1.4 Преимущества использования гетероструктур (AI)GaN/AlN для создания фотоприемных приборов УФ-диапазона

1.5. Выращивание гетероструктур (Al)GaN/AlN методом МОС-гидридной эпитаксии

1.6. Принципы работы УФ-ФК. Влияние основных параметров гетероструктур (Al)GaN/AlN на характеристики приборов
Глава 2. Эпитаксиальное оборудование для формирования гетероструктур (Al)GaN/AIN. Характеристики измерительного оборудования, использовавшегося для исследования гетероструктур
(Al)GaN/AlN
2.1 Установка МОС-гидридной эпитаксии
2.2. Измерительное оборудование, использовавшееся для исследования гетероструктур (Al)GaN/AlN
Глава 3. Разработка эпитаксиальных гетероструктур (Al)GaN/AlN для УФ-
фотокатодов
3.1. Создание оконных слоев A1N для УФ-фотокатодов
3.2 Исследование роста активной области p-GaN на оконном слое

3.3. Влияние толщины оконного слоя AIN на параметры активной области p-GaN УФ-ФК
3.4. Оптимизация условий легирования активной области УФ-ФК
3.5. Оптимизация условий термического отжига активной области УФ-

3.6 Создание УФ-фотокатодов и исследование их характеристик
Глава 4. Разработка гетероструктур для солнечно-слепых и видимо-слепых
p-i-n ФП
4.1. Использование сверхрешетки AlGaN/AIN для уменьшения плотности
дефектов в рабочих слоях p-i-n УФ-ФП
4.2 Разработка активных слоев солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n

4.3. Создание солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП и исследование их характеристик
Выводы
Список литературы

Введение
Привлекательность работы фотоэлектронных устройств ближнего УФ-диапазона, в первую очередь, связывают с наличием поглощения света в диапазоне 200-280 нм верхними слоями атмосферы [1]. Это позволяет считать, что солнечное излучение не влияет на работу фотоприемных приборов данного спектрального диапазона при регистрации источников УФ-излучения. Широкое многообразие задач, связанных с необходимостью детектировать излучение УФ-диапазона, предопределило целый ряд подходов по практической реализации соответствующих фотопреобразователей, в том числе на основе полупроводниковых материалов. В последнее время обозначилась тенденция к все более расширяющемуся использованию нитридов 111-группы для решения указанных задач. Особенно привлекательным выглядит применение гетероструктур (Al)GaN/AlN для создания УФ-фотоприемников (УФ-ФП) и УФ-фотокатодов (УФ-ФК), благодаря непрерывному ряду твердых растворов и широкому диапазону изменения ширины запрещенной зоны от GaN (3,42 эВ) до A1N (6,2 эВ). Известная проблема в технологии гетероструктур (ГС) на основе нитридов III-группы заключается в отсутствии коммерчески доступных собственных подложек. В настоящее время в качестве подложечного материала широко используется сапфир (АГ03), прозрачный во всем видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Это позволяет осуществлять ввод излучения через подложку, что важно для ряда практических применений. Существенным недостатком таких подложек является сильное несоответствие периодов кристаллических решеток сапфира и нитридов III-группы, что затрудняет прямое получение ГС с высоким кристаллическим совершенством.
Для получения УФ-изображений перспективными являются приборы на основе ФК, работающих на просвет, и матричные p-i-n ФП.
Для создания УФ-ФК, чрезвычайно важно получить тонкий (100-200 нм) активный слой р-GaN высокого качества, сформированный на подложке прозрачной для УФ-излучения. Традиционные подходы с использованием

необходимой химической и термической стойкостью. Сапфир прозрачен во всем видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн, что позволяет создавать электронно-оптические приборы с вводом и выводом излучения через подложку. Самым существенным недостатком этих подложек является сильное несоответствие параметров решеток сапфира и нитридов III-группы (рис. 1.5.2) [93]. Это приводит к образованию огромного количества дефектов в растущем слое. Введённые дефекты создают электронные состояния в запрещённой зоне полупроводника, являющиеся центрами рекомбинации фотоэлектронов и вызывающие дополнительное рассеяние фотоэлектронов при их движении в зоне проводимости. При этом происходит ухудшение приборных характеристик. Проблема рассогласования параметров решетки сапфира и растущего слоя, в случае GaN решается введением низкотемпературного зародышевого слоя [94,95]. Суть метода заключается в том, что на начальных этапах роста происходит осаждение слоя GaN или A1N при низкой температуре. Далее при повышении температуры он кристаллизуется и затем продолжается рост GaN при высокой температуре на этом зародышевом слое. При этом, для получения требуемого качества необходимо выращивать толстые слои GaN, порядка 1-2 мкм. [96]
В технологии, предложенной в [94] прежде, чем выращивать слой GaN, осаждается тонкий слой A1N толщиной около 500 Â при температурах 400 -600 °С для сапфира и до 800 °С для SiC. Затем подложка нагревается до температуры роста порядка 1000 °С, и слой GaN или твёрдого раствора III-N наносится тем же способом, что и в традиционном процессе. На рисунке 1.5.1 представлена схема роста GaN на 500 Â-слое A1N (а) и непосредственно на подложке из сапфира (0001) (Ь). В случае (Ь) образуется множество гексагональных столбцов GaN различных размеров и высоты (2Ь). Они разрастаются в произвольных направлениях (ЗЬ-4Ь), в результате чего образуется атомно-шероховатая поверхность с ямками на границах сращивания отдельных островков GaN (5Ь). В случае (а) большинство кристаллитов A1N, показанных тёмными точками на схеме 1а, сливаются в аморфную структуру. Оси [0001] этих кристаллитов параллельны соответствующим осям у сапфира. При последующем