автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Гетероструктуры (Al)GaN/AlN для полупроводниковой фотоэлектроники ближнего УФ-диапазона

На правах рукописи

Мазалов Александр Владимирович

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ (А1)СаЫ/А1Ы ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ФОТОЭЛЕКТРОНИКИ БЛИЖНЕГО УФ-ДИАПАЗОНА

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва 2013

005540502

005540502

Работа выполнена в ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха».

Научный руководитель: доктор технических наук

Александр Анатольевич Мармалюк

Официальные оппоненты: Владимир Петрович Астахов

доктор технических наук, профессор, ОАО "МЗ "Сапфир", заместитель начальника центрального конструкторского бюро

Юрий Кириллович Грузевич

кандидат технических наук,

МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессор кафедры

"Лазерные и оптико-электронные системы"

Ведущая организация: ОАО «НПО «Орион»

Защита состоится 19.12.2013 г. в 16:30 часов на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха» по адресу: 117342, Москва, ул. Введенского, д.З, корп.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха».

Автореферат разослан: 18 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, д.З, ОАО «ПИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха», ученому секретарю диссертационного совета Д.409.003.01.

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат физико-математических наук, доцент

Кротов Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

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 Ш-группы для решения указанных задач. Особенно привлекательным выглядит применение гетероструюур (Al)GaN/AlN для создания УФ-фотоприемников (ФП) и УФ-фотокатодов (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 III-N заключается в отсутствии коммерчески доступных собственных подложек. В настоящее время в качестве подложечного материала широко используется сапфир (AI2O3), 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 Ш-группы, что затрудняет прямое получение ГС с высоким кристаллическим совершенством.

Для получения УФ-изображений перспективными являются приборы на основе полупрозрачных ФК, и матричных p-i-n ФП.

Для создания УФ-ФК, чрезвычайно важно получить тонкий (100-200 нм) активный слой p-GaN высокого качества, сформированный на подложке прозрачной для УФ-излучения. Традиционные подходы с использованием низкотемпературных зародышевых слоев GaN или A1N, широко распространенные при создании светодиодов, ориентированы на получение слоев GaN толщиной 3-5 мкм [2]. Такие толщины GaN неприемлемы для создания УФ-ФК, работающих на просвет. Для получения на сапфировых

3

подложках эпитаксиальных слоев GaN требуемой толщины необходимо разработать подходы с использованием согласующих оконных слоев A1N или AlGaN, прозрачных в УФ области спектра.

Как и в случае УФ-ФК, для создания p-i-n УФ-ФГ1 требуется формирование на сапфировых подложках тонкого слоя GaN с использованием широкозонных оконных слоев A1N или AlGaN, прозрачных в УФ области спектра. Кроме того, характерной особенностью p-i-n УФ-ФП является наличие сильно легированных фильтрующих и оконных слоев AlGaN п- и р- типа проводимости с высоким содержанием А1 [3]. Технические характеристики указанных приборов в значительной степени определяются параметрами и качеством ГС (Al)GaN/AlN, поэтому их совершенствование представляется актуальным для создания оптических систем и комплексов УФ-диапазона.

Цель и основные задачи работы

Целью диссертационной работы является создание гетероструктур (ГС) (Al)GaN/AlN методом МОС-гидридной эпитаксии для фотоприемных приборов, работающих в ближнем УФ диапазоне, и определение взаимосвязи между приборными характеристиками и параметрами ГС.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать особенности формирования оконного слоя A1N, осажденного на сапфировой подложке.

2. Разработать процесс получения тонкого (0,1-0,2 мкм) активного слоя GaN на оконном слое A1N.

3. Сформировать эпитаксиальные слои (Al)GaN:Mg р-типа проводимости в широком диапазоне концентраций носителей заряда.

4. Получить ГС для изготовления УФ-ФК (200-365 нм), солнечно-слепых (250-280 нм) и видимо-слепых (320-360 нм) p-i-n ФП.

5. Изучить характеристики фотоприемных приборов УФ-диапазона на основе ГС (Al)GaN/AlN и установить взаимосвязь их выходных характеристик с параметрами ГС.

Научная новизна работы

1. Высококачественные оконные слои A1N для фотоприемных приборов УФ-диапазона с вводом излучения через подложку получены путем совместного использования высокой температуры роста и переменного отношения V/III.

2. Для получения р-типа проводимости активной области p-GaN УФ-ФК, контактного p-GaN и фотодиодного p-Alo^Ga^N слоев p-i-n ФП использовался двухступенчатый быстрый термический отжиг, обеспечивающий эффективную активацию примеси Mg.

3. Установлена взаимосвязь между квантовой эффективностью УФ-ФК и структурным совершенством активной области ГС (Al)GaN/AlN.

4. Экспериментально показано, что введение в состав широкозонного оконного слоя короткопериодной сверхрешетки AlGaN/AlN позволяет формировать слои n-Al0i6Gao,4N и p-Alo^Gao.ssN требуемого качества в составе одной ГС, обеспечивающие изготовление солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП на их основе.

Практическая значимость результатов работы

1. Предложены режимы формирования оконного слоя A1N для приборных структур p-i-n УФ-ФП и УФ-ФК.

2. Предложен и апробировал подход по активации примеси р-типа проводимости в эпитаксиальных слоях GaN:Mg с использованием двухступенчатого быстрого термического отжига, позволяющий получать сильнолегированные слои с концентрацией дырок р > 1018 см"3.

3. Разработана конструкция и методика получения ГС (Al)GaN/AlN для УФ-ФК. На основе полученных образцов изготовлены фотоприемные модули, показавшие квантовую эффективность 20-26 % на длинах волн 240-300 нм.

4. Созданы ГС (Al)GaN/AlN и на их основе изготовлены матричные солнечно-слепые и видимо-слепые p-i-n ФП, формата 320x256 с шагом 30 мкм и размером фоточувствительной площадки 25x25 мкм. Спектральная чувствительность составляла 30-35 мА/Вт для солнечно-слепого (250-270 нм) и 40-41 мАУВт для видимо-слепого (330-350 нм) p-i-n ФП.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Для формирования высококачественного оконного слоя A1N фотоприемных приборов УФ-диапазона, работающих с вводом излучения через

5

подложку, необходимо использовать комбинацию высокотемпературных режимов получения с низким отношением V/III, изменяющимся в процессе роста.

2. Применение двухступенчатого быстрого термического отжига позволяет сформировать активную область УФ-ФК и контактный слой p-i-n ФП с концентрацией дырок р > 1018 см"3.

3. Использование тонкого оконного слоя AIN (d=20-40 нм) является одним из способов обеспечения высокой квантовой эффективности (>25 %) УФ-ФК на основе ГС (Al)GaN/AlN.

4. Использование короткопериодной сверхрешетки AlGaN/AIN в дополнение к высокотемпературному оконному слою A1N позволяет формировать высококачественные ГС (Al)GaN/AlN, обеспечивающие возможность создания на их основе солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП со спектральной чувствительностью более 30 мА/Вт в соответствующих диапазонах >.=250-270 нм и À=330-350 нм.

Личный вклад автора

Автор работы лично участвовал в постановке задач исследования, разработке конструкции и проведении процессов получения ГС (AI)GaN/AiN для фотоприемных приборов УФ-диапазона и измерении их параметров. Автор проводил анализ характеристик приборов и устанавливал их взаимосвязь с параметрами ГС.

Достоверность результатов

Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных измерительных установок и приборов, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2010), X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, Россия, 2010); XIV Национальной конференции

по росту кристаллов (Москва, Россия, 2010); 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы« (Санкт-Петербург, Россия, 2011); XXII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2012); XV-той Международной конференции Опта-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы (Ульяновск, Россия, 2012); 4th International Symposium on Growth of III-Nitrides (St. Petersburg, Russia, 2012); 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Москва, Россия, 2013); XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из которых 4 в рецензируемых журналах и 14 в сборниках материалов и трудов конференций.

Структура п объем диссертации

Диссертация состоит из введения, _4_ глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 110 страниц, включая 61 рисунок, 4 таблицы, список литературы из 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены ее основная цель и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору научно-технической литературы по теме работы. Кратко рассмотрены основные типы полупроводниковых фотоприемных приборов УФ-диапазона и принципы их работы. Показаны преимущества использования ГС (Al)GaN/AlN для создания солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП, а также УФ-ФК с отрицательным электронным сродством. Перечислены методики создания высококачественных слоев A1N и GaN методом МОС-гидридной эпитаксии и трудности, связанные с их получением. Дана оценка влияния параметров процесса МОС-гидридной эпитаксии на характеристики эпитаксиальных слоев GaN, AIN и твердых растворов на их основе. Рассмотрены проблемы, связанные с легированием слоев GaN.

7

Проанализированы основные параметры ГС (А1)ОаЫ/А1Ы и характеристики р-1-п ФП и УФ-ФК, изготовленных на их основе. Проведена оценка влияния этих параметров на спектральные характеристики приборов. В конце главы на основании проведенного анализа литературы была определена цель и поставлены основные задачи работы.

Во второй главе представлены сведения об эпитаксиальном оборудовании для формирования ГС (А1)ОаЫ/АШ и основных режимах роста. Приведены характеристики измерительного оборудования, использовавшегося для исследования ГС (А1)0гаК/АГМ.

Третья глава посвящена разработке эпитаксиальных ГС (А1)ОаМ/А1Ы для УФ-ФК, работающих на просвет. Для эффективной работы таких приборов необходимо на прозрачной в требуемом спектральном диапазоне подложке сформировать широкозонный оконный слой, и затем активный слой с заданным уровнем легирования (рис.1).

Активный слой p-GaN Оконный слой AIN <=■ Подложка А1203

Рис. ). Схематическое изображение ГС (Al)GaN/AlN для УФ-ФК, работающих на

просвет.

Толщина активного слоя УФ-ФК определяется коэффициентом поглощения излучения и диффузионной длиной электронов. Расчетные оценки показали, что для p-GaN указанная толщина лежит в пределах 100-200 нм. Большая разница постоянных кристаллических решеток не позволяет выращивать тонкие слои GaN достаточно высокого структурного совершенства непосредственно на сапфировой подложке. Поэтому для получения эпитаксиальных слоев GaN используются согласующие оконные слои AIN или AlGaN, прозрачные в требуемой области спектра. Получение высококачественных слоев AIN в условиях МОС-гидридной зпитаксии, осложняется наличием паразитных реакций между аммиаком (NH3) и

триметилалюминием (ТМА1) в газовой фазе с образованием частиц A1N. Эти реакции ухудшают структурное совершенство материала и существенно снижают скорость роста [4]. В данной работе паразитные реакции между NH3 и ТМА1 были минимизированы посредством уменьшения давления в реакторе, увеличения общего потока газа носителя и снижения отношения V/III исходных компонентов.

Представлены результаты исследования процесса формирования оконного слоя A1N с требуемыми для УФ-ФК параметрами. Показано, что использование низкотемпературного (Т = 600 °С) зародышевого слоя A1N на начальной стадии роста приводит к получению образцов с высокими значениями полуширины пика рентгеновской кривой качания (600-640 угловых секунд) и среднеквадратической шероховатости (rms=9-10 нм), что свидетельствует о низком кристаллическом совершенстве и плохой морфологии поверхности. Предложено для приборных применений использовать оконные слои A1N сформированные на высокотемпературном (Т = 1100-1200 °С) зародышевом слое A1N. При этом установлено, что важнейшее влияние на параметры слоя A1N оказывает отношение V/1II исходных компонентов. Так, в результате проведения серии экспериментов показано, что использование отношения V/III в диапазоне от 1 до 10 приводит к получению гладкой морфологии AIN (rms=0,5-2 нм). Однако полуширина пика рентгеновской кривой качания таких эпитаксиальных слоев имела высокие значения (550-600 угловых секунд). Повышение V/III до 100 на стадии роста A1N приводило к обратной зависимости: получение узкого пика рентгеновской кривой качания - (100-150 угловых секунд) и высоких значений среднеквадратической шероховатости (rms=6-10 нм). С учетом полученных результатов предложено осуществить процесс роста A1N с переменным соотношением VAU от 1 до 100. Такой подход позволил получить образцы A1N с узкой полушириной пика рентгеновской кривой качания (100-150 угловых секунд) и гладкой поверхностью (rms=0,5-2 нм).

Для повышения чувствительности УФ-ФК исследовано влияние толщины оконного слоя AIN на параметры активной области GaN для ГС (AI)GaN/AlN УФ-ФК. Изучены три образца с толщиной AIN равной 700, 200 и 20 нм. При этом активная область была одинаковой для всех образцов. На рис. 2 показаны кривые качания слоев p-GaN, сформированных на оконном слое A1N различной толщины. Пик кривой качания от образца с тонким оконным слоем обладает

большей интенсивностью и меньшей полушириной, что свидетельствует о наилучшем структурном совершенстве в исследуемой серии образцов (рис. 2).

50000

g 20000

X

■ 30000 et

40000

10000

-1500 -1000 -500

о

500 1000 1500

0, угл. с.

Рис.2. Кривые качания образцов GaN/AIN с различной толщиной оконного слоя A1N: 700 нм (а), 200 нм (б) и 20 нм (в).

Высокий уровень легирования активного слоя акцепторной примесью является залогом высоких выходных характеристик полупроводниковых ФК. Применительно к задаче создания УФ-ФК, проведена оптимизация условий легирования слоя GaN/AIN. Одним из препятствий на пути к созданию высокой концентрации дырок в p-GaN является большая энергия ионизации атомов магния (0,13-0,17 эВ) [6]. Это приводит к тому, что при комнатной температуре лишь ограниченная доля акцепторной примеси участвует в генерации носителей заряда. Вследствие этого для получения низкого значения удельного сопротивления слоев p-GaN необходимо обеспечить высокую концентрацию атомов магния в эпитаксиальном слое. Однако избыточное количество магния увеличивает вероятность образования структурных дефектов донорного типа, которые отрицательно влияют на электрофизические характеристики материала [7]. Из-за указанных препятствий максимальная концентрация свободных дырок лишь немного превышает 1018 см"3 даже в том случае, когда концентрация введённого магния достигает - Ю20 см"3.

Типичная картина влияния расхода легирующей примеси (Ср21^) на концентрацию носителей в слое р-ОаМ представлена на рис. 3.

ю19

10" ---1-,-1-.-1-.-1-.-

1 2 3 4 5 6

\/(Ср2Мд), 10"7-моль/мин

Рис. 3. Зависимость концентрации носителей заряда в р-СаН от расхода лигатуры Ср2М^.

Видно, что с увеличением расхода Ср3М£ наблюдается рост концентрации дырок в слоях нитрида галлия, но по достижении определенной величины происходит ее уменьшение из-за компенсации акцепторной примеси. Положение максимума концентрации дырок зависит от многих факторов, таких как температура и скорость роста, давление в реакторе и состав газа носителя. В работе определены режимы легирования, позволяющие получать эпитаксиальные слои (А1)ОаЫ:М§ с требуемой концентрацией дырок.

При легировании слоев ваЫ магнием в условиях МОС-гидридной эпитаксии водород образует с атомами К-^ электрически нейтральные комплексы (М§'-Н+)° [8]. Существует несколько методов активации атомов такие как облучение низкоэнергетическим электронным пучком, воздействие микроволновым, радиочастотным и лазерным излучением [8]. Однако, одним из наиболее эффективных методов активации магния является постростовой термический отжиг в атмосфере азота. При этом происходит разрушение

комплексов \4g-H и удаление водорода НГ посредством диффузии к поверхности образца [8]. Экспериментально определены оптимальная температура и время отжига для активации Отжиг проводился в реакторе эпитаксиальной

установки. Варьирование температуры отжига показало сильное изменение электрофизических свойств р-ОаЫ:!^. Исходя из результатов измерений образцов, обработанных при различных температурах, наиболее эффективным оказался отжиг при 1000 °С.

Существует несколько методик улучшения результатов термического отжига в атмосфере азота, способных с помощью варьирования условий повысить степень активации примеси и улучшить электрофизические параметры получаемых структур. Известно, что быстрый термический отжиг (при котором время нагрева до заданной температуры существенно ниже времени самого отжига) в ряде случаев позволяет добиться более высоких результатов по сравнению с традиционным термическим отжигом в реакторе эпитаксиальной установки [9]. Ряд образцов подвергся обработке в установке быстрого термического отжига с ИК-нагревом. Температура отжига была выбрана равной 1000 °С по результатам предыдущей серии экспериментов. Быстрый термический отжиг позволил увеличить концентрацию носителей заряда в 4 раза по сравнению с уровнем, достигнутым для тех же образцов при стандартном термическом отжиге.

Для повышения степени активации Мц разработана методика двухступенчатого быстрого термического отжига. Основная идея этой методики заключается в разделении процесса активации Му на две стадии. На первом этапе происходит разрушения К^-Н комплексов при высокой температуре (1000 °С). На втором этапе, проходящим при низкой температуре (800 °С), водород выводится из ваК посредством диффузии к поверхности через дефекгы (дислокации, границы зёрен и др.). Использование методики двухступенчатого быстрого термического отжига позволило увеличить концентрацию носителей заряда в 1,2 раза по сравнению с уровнем, достигнутым при быстром термическом отжиге.

На основе полученных ГС (А1)ОаЫ/А1Ы изготовлены УФ-ФК и фотоприемные модули на их основе. Измерения характеристик УФ-фотоприемного модуля продемонстрировали однозначную зависимость квантовой эффективности от полуширины пика рентгеновской кривой качания активного слоя. В табл. 1 представлена зависимость квантовой эффективности

12

УФ-ФК от полуширины пика рентгеновской кривой качания активной области p-GaN. С уменьшением полуширины квантовая эффективность увеличивается. Лучшие результаты получены на структурах, выращенных на тонком оконном слое A1N (20 им). Квантовая эффективность превышала 20 % в спектральном диапазоне (230-300 нм) с максимальным значением 26% (рис. 4).

Таблица. 1

Параметры ГС (Al)GaN/AlN и квантовая эффективность УФ-ФК на их основе.

№ п/п Толщина A1N, нм Полуширина рентгеновской кривой качания p-GaN, угл. с. Квантовая эффективность на длине волны Х=270 нм, %

I 600 625 5

2 470 620 5

3 170 550 12

4 20 250 25

5 10 300 20

А, нм

Рис. 4. Зависимость квантовой эффективности УФ-ФК от длины волны.

Особенности строения эпитаксиальных слоев р-ОаЫ, полученных по предложенной методике, позволяют создавать УФ-ФК с высокими выходными характеристиками.

Четвертая глава посвящена разработке ГС для солнечно-слепых и видимо-слепых р-1-п ФП. Основой таких приборов является нелегированный активный слой, помещенный между областями р- и п-типа проводимости. Дополнительно, для обеспечения ввода излучения через подложку необходимо использовать широкозонный оконный слой (рис. 5).

Контактный слой p-GaN

Фотодиодный слой p-AI0 45Ga0 55N Активный слой i-AI0 45Ga0 65N Фильтрующий слой n-AI06Ga04N Оконный слой AIN

Подложка А1203

а)

Контактный слой р+-6аЫ

Фотодиодный слой р-6аЫ Активный слой ¡-ваИ Фильтрующий слой п-А10 25Са0 75Ы Оконный слой А1Ы

Подложка А1203

б)

Рис. 5. Схематическое изображение ГС (А1)СаЫ/А1Ы для р-'1-п УФ-ФП с вводом излучения через подложку: а) солнечно-слепого диапазона; б) видимо-слепого диапазона.

Важным моментом при формировании ГС (AI)GaN/AIN на подложках А1203 является необходимость использования промежуточных оконных слоев, призванных повысить кристаллическое совершенство фоточувствителыюй структуры. При этом ширина запрещенной зоны таких слоев должна быть достаточной для прохождения света в активную область. Исходя из этого материалом оконного слоя выбран A1N.

Для повышения чувствительности УФ-ФП дополнительно к оконному слою была сформирована сверхрешетка AlGaN/AIN с высоким содержанием алюминия. Причем элементы сверхрешетки подобраны таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны каждого из них была не меньше ширины запрещенной зоны активного слоя p-i-n ФП. Считается, что сверхрешетка останавливает продвижение дислокаций в вышележащие слои и способствует релаксации упругих напряжений, вызванных несоответствиями параметров решеток подложки и растущего слоя [3]. На рис. 6 представлено изображение оконного слоя A1N и сверхрешетки, полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа. Отчётливо проявляется значительная плотность дефектов, имеющих своим началом гетерограницу A1N/A1203.

Рис. 6. Изображение оконного слоя A1N и сверхрешетки AlGaN/AIN на просвечивающем электронном микроскопе.

Как видно из рисунка, дефекты пронизывают всю область A1N и проникают в сверхрешетку. По мере роста плотность дефектов уменьшается, и начинают разрешаться отдельные слои сверхрешетки.

С использованием указанного подхода сформированы фильтрующие слои n-Al0i6Gao>4N. n-Al0,25Ga<),75N и фотодиодный слой p-Alo^Gao.ssN для солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП. Для n-Al0,6Gaoi4N получены значения удельного электрического сопротивления, подвижности и концентрации носителей заряда на уровне 0,022 Ом-см, 33,5 см2/В-с и 8,5-1018 см"3. Для n-Alo.jsGaojsN значения электрофизических параметров составляли 0,027 Ом-см, 70 см2/В-с и 3-Ю'8 см"3. Путем оптимизации условий роста, расхода легирующей примеси и быстрого термического отжига удалось получить эпитаксиальные слои p-Alo^GaossN имеющие удельное электрическое сопротивление, подвижность и концентрацию носителей заряда на уровне 8 Ом см, 1 см2/В-с и 8-Ю17 см"3 соответственно. Положение края спектра пропускания указанных материалов обеспечивало возможность их использования в качестве фильтрующих и фотодиодных слоев для солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП.

А, нм

Рис. 7. Зависимость чувствительности солнечно-слепого р-1-п ФП от длины волны падающего света.

Опираясь на достигнутые результаты по формированию отдельных слоев, созданы приборные ГС для солнечно-слепых и видимо-слепых р-ьп-ФП. Из

полученных ГС изготовлены матрицы формата 320x256, шаг 30 мкм с размером фоточувствительной площадки 25x25 мкм.

На рис. 7 и рис. 8 показаны зависимости чувствительности солнечно-слепого и видимо-слепого р-'ьп ФП от длины волны падающего света. Положение коротковолновой и длинноволновой границ полученного спектра фоточувствительности определяется составами фильтрующего и поглощающего слоев ГС соответственно.

А, нм

Рис. 8. Зависимость чувствительности видимо-слепого p-i-n ФП от длины волны

падающего света.

Полученные значения спектральной чувствительности УФ-ФП делают такие приборы привлекательными для создания оптико-электронных систем УФ-диапазона.

Основные результаты работы

1. Исследованы особенности формирования оконного слоя A1N, осажденного на сапфировой подложке. Для формирования оконных слоев требуемого качества необходимо использовать комбинацию высокотемпературных режимов получения с низким отношением V/III (от 50 до 100), изменяющимся в процессе роста.

2. Определены режимы легирования и условия термического отжига эпитаксиальных слоев (Al)GaN:Mg для получения р-типа проводимости. Установлена зависимость концентрации дырок от расхода легирующей примеси

Cp2Mg. Для получения р-типа проводимости исследованы различные режимы отжига слоев (Al)GaN:Mg а атмосфере азота. Предложен и апробирован подход по активации примеси р-типа проводимости в эпитаксиальных слоях GaN:Mg с использованием двухступенчатого быстрого термического отжига, позволяющий получать сильнолегированные слои с концентрацией дырок р>1018 см"3.

3. Исследовано влияние толщины оконного слоя A1N на характеристики УФ-ФК. С уменьшением толщины оконного слоя A1N квантовая эффективность УФ-ФК увеличивается. Наибольшее значение квантовой эффективности было получено у образцов с тонким оконным слоем (20 нм) и составляло 26%.

4. Экспериментально показано, что введение в состав широкозонного оконного слоя короткопериодной сверхрешетки AlGaN/AIN позволяет формировать слои n-Alo.eGa^N и p-Alo.45Gao.55N требуемого качества в составе одной ГС, обеспечивающие изготовление солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП на их основе.

5. Сформированы фильтрующие слои n-Alo.eGao.4N, n-Alo.25Gao.75N и фотодиодный слой p-Alo.45Gao.55N для солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП. Для n-Alo.eGao.4N получены значения удельного электрического сопротивления, подвижности и концентрации носителей заряда на уровне а = 0,022 Ом-см, р = 33,5 см2/В-с и п = 8,5-1018 см"3. Для n-Alo.25Gaa.75N значения электрофизических параметров составляли сг = 0,027 Ом-см, ц = 70 см2/В-с и n = 3-Ю18 см"3. Для фотодиодного слоя p-Alo.45Gao.55N полученные значения составляли о = 8 Ом-см, ц = 1 cmVB-c и р = 8-Ю17 см"3.

6. Созданы ГС (Al)GaN/AlN и на их основе изготовлены матричные солнечно-слепые и видимо-слепые p-i-n ФП, формата 320x256 с шагом 30 мкм и размером фоточувствительной площадки 25x25 мкм. Спектральная чувствительность составляла 30-35 мА/Вт для солнечно-слепого (250-270 нм) и 40-41 мА/Вт для видимо-слепого (330-350 нм) p-i-n ФП.

Список цитированной литературы

1. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // Физика и техника полупроводников. - 2003. -№ 37. - Вып. 9. - С. 1025-1055.

2. Nakamura S. GaN growth using GaN buffer layer II Japanese Journal of Applied Physics. - 1991. - Vol. 30. - P. L1705-L1707.

3. McClintock R., Yasan A., Mayes K., Shiell D., Darvish S.R., Kung P., Razeghi M. High quantum efficiency AlGaN solar-blind p-i-n pholodiodes // Applied Physics Letters. - 2004. - Vol. 84. - P. 1248-1250.

4. Лундин B.B., Николаев A.E., Сахаров A.B., Брунков П.Н., Заварин Е.Е., Цацульников А.Ф. Эпитаксия слоев A1N с высокой скоростью роста в планетарном МОС-гидридном реакторе // Письма в ЖТФ. - 2010. - Том. 36. -Вып. 24. - С. 33-39.

5. Xi Y. A., Chen К. X., Mont F., Kim J. К., Wetzel С., Schubert Е. F., Liu W„ Li X., and Smart J. A. Very high quality A1N grown on (0001) sapphire by metal-organic vapor phase epitaxy // Applied physics letters. - 2006. - Vol. 89. — P. 103-106.

6. Seghier D., Gislason H. P. Electrical characterization of Mg-related energy levels and the compensation mechanism in GaN-Mg // Journal of Applied Physics. -2000. - Vol. 88. - P. 6483-6487.

7. Kaufmann U., Schlotter P., Obloh H., Kohler K., Maier M. Hole conductivity and compensation in epitaxial GaN:Mg layers // Physical Review B. - 2000. - Vol. 62. -№.16.-P. 10867-10872.

8. Doo-Hyeb Youn, Mohamed Lachab, Maosheng Hao, Tomoya Sugahara, Hironori Takenaka, Yoshiki Naoi, Shiro Sakai. Investigation on the p-type activation mechanism in Mg-doped GaN films grown by metalorganic chemical vapor deposition // Japanese Journal of Applied Physics. - 1999. - Vol. 38. - P. 631-634.

9. Lin C.F., Cheng H.C., Chang C.C., Chi G.C. Properties of Mg activation in thermally treated GaN-Mg films // Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 88. -№. 11.-P. 6515-6518.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Мармалюк А.А., Андреев А.Ю., Ладугин М.А., Мазалов А.В., Падалица А.А., Рябоштан Ю.Л., Телегин К.Ю. МОС-гидридная эпитаксия в технологии фотоэлектронных приборов // Тезисы докладов XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. -Москва, Россия. - 2010.-25-28 мая. - С. 23.

2. Акчурин Р.Х., Мармалюк А.А., Мазалов А.В., Падалица А.А., Сабитов Д.Р. Исследование процесса получения A1N на подложках А1203 в условиях МОС-гидридной эпитаксии // Материалы X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, панотехнологии». -Ставрополь, Россия. - 2010. - 17-22 сентября.-С. 151-153.

19

3. Мазалов A.B., Падалица A.A., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х. Исследование процесса роста A1N при помощи «in situ» методов контроля в условиях МОС-гидридной эпитаксии // Материалы XIV Национальной конференции по росту кристаллов. - Москва, Россия. - 2010. - 610 декабря. - Том 2. - С. 96.

4. Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х. Выращивание высококачественных слоев A1N методом МОС-гидридной эпитаксии // Тезисы докладов 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». - Санкт-Петербург, Россия. - 2011. - 26-28 мая. - С. 39-40.

5. Бакин В.В., Косолобов С.Н., Шайблер Г.Э., Терехов A.C., Лундин В.В., Николаев А.Е., Сахаров A.B., Цацульников А.Ф., Мармалюк A.A., Мазалов A.B. Пространственная однородность и температурная стабильность полупрозрачного фотокатода p-GaN(Cs0)/AlN/c-A!203 // Тезисы докладов 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». -Санкт-Петербург, Россия. - 2011. - 26-28 мая. С. 91-92.

6. Мазалов A.B., Падалица A.A., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х. Влияние расхода легирующей примеси на фотолюминесцентные характеристики слоев GaN:Mg, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии // Тезисы докладов 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». - Санкт-Петербург, Россия. - 2011. - 26-28 мая. - С. 224-225.

7. Мармалюк A.A., Мазалов A.B., Курешов В.А., Сабитов Д.Р., Падалица A.A. МОС-гидридная эпитаксия для полупроводниковой фотоэлектроники УФ-диапазона // Труды XXII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - Москва, Россия. - 2012. - 22-25 мая. - С. 47-48.

8. Балясный Л.М., Чистов О.В., Широков Д.А., Мармалюк A.A., Мазалов A.B. Обзор направлений использования УФ фотоэмиссионных приемников излучения на основе разработанного GaN фотокатода // Труды XXII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - Москва, Россия. - 2012. - 22-25 мая. - С. 332-334.

9. Mazalov A.V., Sabitov D.R., Kureshov V.A., Padalitsa A.A., Marmalyuk A.A., Akchurin R.Kh. High quality GaN layer grown on sapphire substrate using

AIN/AlGaN buffer for UV applications // Proc. 4th International Symposium on Growth of Ill-Nitrides. - St. Petersburg, Russia. - 2012. - 16-19 July. - P. 245.

10. Романов И.С., Мармалюк A.A., Курешов В.А., Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Войцеховский A.B., Коханенко А.П. Оптимизация технологических параметров роста пленок GaN:Mg // Известия вузов. Физика. - 2012. - Том. 55. - № 8/3. - С. 58-59.

11. Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х. Влияние температуры отжига на положение пика фотолюминесценции слоев GaN:Mg // Труды XV-той Международной конференции «Опта-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». -Ульяновск, Россия. - 2012. - 4-7 сентября. - С. 306.

12. Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х. Влияние условий роста на структурное совершенство слоев A1N, полученных методом МОС-гидридной энитаксии // Известия вузов. Материалы электронной техники. — 2013. — № 1, — С. 45-48.

13. Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х. Исследование процесса термической активации акцепторной примеси в эпитаксиальных слоях GaN:Mg // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2013. - № 3. - С. 43-46.

14. Болтарь К.О., Чинарева И.В., Седнев М.В., Лопухин A.A., Мармалюк A.A., Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица A.A. Гетероструктуры AlGaN/AlN и солнечно-слепые p-i-n-фотоприемники на их основе // Успехи прикладной физики. - 2013. - Т. 1. - № 4. - С. 488-492.

15. Падалица A.A., Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк A.A., Брыковский A.A., Акчурин Р.Х. Методы повышения структурного совершенства слоев A1N, полученных в условиях МОС-гидридной эпитаксии // Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы». — Москва, Россия. - 2013. - 13-15 июня. - С. 33-34.

16. Мазалов A.B., Эйдук О.Б., Падалица A.A., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х. Двухстадийная термическая активация эпитаксиальных слоев GaN:Mg // Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». -Москва, Россия. - 2013. - 13-15 июня. - С. 176-177..

17. Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A., Акчурин Р.Х., Чинарева И.В., Хакуашев П.Е., Болтарь К.О., Федиев Н.В., Бурлаков И.Д. Получение гетероетруктур AlGaN/GaN для фотоприемников УФ-диапазона // Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». - Москва, Россия. - 2013. - 13-15 июня. - С. 178-179.

18. Мазалов A.B., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A., Бурлаков И.Д., Болтарь К.О., Седнев Н.В. Фотоприемники УФ-диапазона на основе гетероетруктур (AI)GaN/AIN // Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников. - Санкт-Петербург, Россия. - 2013. -16-20 сентября. - С. 447.

Подписано в печать:

14.11.2013

Заказ № 9110 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха».

На правах рукописи 0^201365820 —

Мазалов Александр Владимирович

Гетероструктуры (А1)СаЖАШ для полупроводниковой фотоэлектроники ближнего УФ-диапазона

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, Мармалюк Александр Анатольевич

Москва 2013

Оглавление

Введение............................................................................................4

Глава 1. Фотоприемные приборы УФ-диапазона на основе гетероструктур (Al)GaN/AlN..........................................................................................9

1.1. Естественное ультрафиолетовое излучение...................................9

1.2. Основные параметры полупроводниковых фотоприемных приборов УФ-диапазона..............................................................................11

1.3 Основные типы полупроводниковых фотоприемных приборов УФ-диапазона....................................................................................15

1.4 Преимущества использования гетероструктур (Al)GaN/AlN для создания фотоприемных приборов УФ-диапазона..............................30

1.5. Выращивание гетероструктур (Al)GaN/AlN методом МОС-гидридной эпитаксии...................................................................................31

1.6. Принципы работы УФ-ФК. Влияние основных параметров гетероструктур (Al)GaN/AlN на характеристики приборов..................39

Глава 2. Эпитаксиальное оборудование для формирования гетероструктур (Al)GaN/AlN. Характеристики измерительного оборудования, использовавшегося для исследования гетероструктур

(Al)GaN/AlN.......................................................................................47

2.1 Установка МОС-гидридной эпитаксии.......................................47

2.2. Измерительное оборудование, использовавшееся для исследования

гетероструктур (Al)GaN/AlN..........................................................49

Глава 3. Разработка эпитаксиальных гетероструктур (Al)GaN/AlN для УФ-

фото катодов......................................................................................53

3.1. Создание оконных слоев A1N для УФ-фотокатодов.......................53

3.2 Исследование роста активной области p-GaN на оконном слое

A1N............................................................................................60

3.3. Влияние толщины оконного слоя AIN на параметры активной области p-GaN УФ-ФК..................................................................65

3.4. Оптимизация условий легирования активной области УФ-ФК......68

3.5. Оптимизация условий термического отжига активной области УФ-

ФК.............................................................................................70

3.6 Создание УФ-фотокатодов и исследование их характеристик..........73

Глава 4. Разработка гетероструктур для солнечно-слепых и видимо-слепых

p-i-n ФП............................................................................................79

4.1. Использование сверхрешетки AlGaN/AIN для уменьшения плотности

дефектов в рабочих слоях p-i-n УФ-ФП............................................79

4.2 Разработка активных слоев солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n

ФП.............................................................................................83

4.3. Создание солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП и исследование их характеристик......................................................88

Выводы............................................................................................94

Список литературы.........................................................................100

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 III-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 (AI2O3), 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 p-GaN высокого качества, сформированный на подложке прозрачной для УФ-излучения. Традиционные подходы с использованием

низкотемпературных зародышевых слоев GaN или A1N, широко распространенные при создании светодиодов, ориентированы на получение слоев GaN толщиной 3-5 мкм [2]. Такие толщины GaN неприемлемы для создания УФ-ФК, работающих на просвет. Для получения на сапфировых подложках эпитаксиальных слоев GaN требуемой толщины необходимо разработать подходы с использованием согласующих оконных слоев A1N или AlGaN, прозрачных в УФ области спектра.

Как и в случае УФ-ФК, для создания p-i-n УФ-ФП требуется формирование на сапфировых подложках тонкого слоя GaN с использованием широкозонных оконных слоев A1N или AlGaN, прозрачных в УФ области спектра. Кроме того, характерной особенностью p-i-n УФ-ФП является наличие сильно легированных фильтрующих и оконных слоев AlGaN п- и р- типа проводимости с высоким содержанием А1 [ 3 ]. Технические характеристики указанных приборов в значительной степени определяются параметрами и качеством ГС (Al)GaN/AlN, поэтому их совершенствование представляется актуальным для создания оптических систем и комплексов УФ-диапазона.

Целью диссертационной работы является разработка технологических подходов и выбор режимов формирования ГС (Al)GaN/AlN методом МОС-гидридной эпитаксии для фотоприемных приборов, работающих в ближнем УФ диапазоне, и определение взаимосвязи между приборными характеристиками и параметрами ГС.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать особенности формирования оконного слоя A1N, осажденного на сапфировой подложке.

2. Разработать процесс получения тонкого (0,1-0,2 мкм) активного слоя GaN на оконном слое A1N.

3. Определить режимы легирования и условия термического отжига эпитаксиальных слоев (Al)GaN:Mg для получения р-типа проводимости в широком диапазоне концентрации носителей заряда.

4. Разработать конструкцию и процесс формирования ГС для изготовления УФ-ФК (200-365 нм), солнечно-слепых (250-280 нм) и видимо-слепых (320-360 нм) p-i-n ФП.

5. Изучить характеристики фото приемных приборов УФ-диапазона на основе ГС (Al)GaN/AlN и установить взаимосвязь их выходных характеристик с параметрами ГС.

Научная новизна работы:

1. Высококачественные оконные слои A1N для фотоприемных приборов УФ-диапазона с вводом излучения через подложку получены путем совместного использования высокой температуры роста и переменного отношения V/III.

2. Для получения р-типа проводимости активной области p-GaN УФ-ФК, контактного p-GaN и фотодиодного p-Alo,45Gao,55N слоев p-i-n ФП использовался двухступенчатый быстрый термический отжиг, обеспечивающий эффективную активацию примеси Mg.

3. Установлена взаимосвязь между квантовой эффективностью УФ-ФК и структурным совершенством активной области ГС (Al)GaN/AlN.

4. Экспериментально показано, что введение в состав широкозонного оконного слоя короткопериодной сверхрешетки AlGaN/AIN позволяет формировать слои n-Alo^Gao^N и p-Alo^sGao^sN требуемого качества в составе одной ГС, обеспечивающие изготовление солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП на их основе.

Практическая значимость результатов работы:

1. Предложены режимы формирования оконного слоя A1N для приборных структур p-i-n УФ-ФП и УФ-ФК.

2. Предложен и апробирован подход по активации примеси р-типа проводимости в эпитаксиальных слоях GaN:Mg с использованием двухступенчатого быстрого термического отжига, позволяющий получать сильнолегированные слои с концентрацией дырок р>1018 см"3.

3. Разработана конструкция и методика получения ГС (Al)GaN/AlN для УФ-ФК. На основе полученных образцов изготовлены фотоприемные модули, показавшие квантовую эффективность 20-26 % на длинах волн 240-300 нм.

4. Созданы ГС (Al)GaN/AlN и на их основе изготовлены матричные солнечно-слепые и видимо-слепые p-i-n ФП, формата 320x256 с шагом 30 мкм и размером фоточувствительной площадки 25x25 мкм. Спектральная чувствительность составляла 30-35 мА/Вт для солнечно-слепого (250-270 нм) и 40-41 мА/Вт для видимо-слепого (330-350 нм) p-i-n ФП.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Для формирования высококачественного оконного слоя A1N фотоприемных приборов УФ-диапазона, работающих с вводом излучения через подложку, необходимо использовать комбинацию высокотемпературных режимов получения с низким отношением V/III, изменяющимся в процессе роста.

2. Применение двухступенчатого быстрого термического отжига позволяет сформировать активную область УФ-ФК и контактный слой p-i-n ФП с концентрацией дырок р>1018 см"3.

3. Использование тонкого оконного слоя AIN (d=20-40 нм) является одним из способов обеспечения высокой спектральной чувствительности (>45 мА/Вт) УФ-ФК на основе ГС (Al)GaN/AlN.

4. Использование короткопериодной сверхрешетки AlGaN/AIN в дополнение к высокотемпературному оконному слою A1N позволяет формировать высококачественные ГС (Al)GaN/AlN, обеспечивающие возможность создания на их основе солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП со спектральной чувствительностью более 30 мА/Вт в соответствующих диапазонах À=250-270 нм и >.=330-350 нм.

Основные научные положения и выводы подтверждаются использованием современных измерительных установок и приборов, публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных конференциях.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2010), X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, Россия, 2010); XIV Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, Россия, 2010); 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Санкт-Петербург, Россия, 2011); XXII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2012); XV-той Международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы (Ульяновск, Россия, 2012); 4th International Symposium on Growth of III-Nitrides (St. Petersburg, Russia, 2012); 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Москва, Россия, 2013); XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013).

По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из которых 4 в рецензируемых журналах и 14 в сборниках материалов и трудов конференций.

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

1.1. Естественное ультрафиолетовое излучение

В УФ-диапазоне обычно выделяют три части: -длинноволновый, или UV-A: 1=315-380 нм; -средневолновый, или UV-B: А,=280-315 нм; -коротковолновый, или UV-C: >.=200-280 нм.

Граница 320 нм диапазона UV-A определяется коротковолновой границей пропускания обычных стекол. Излучение UV-C короче 280 нм поглощается в озоновом слое атмосферы на высоте 40-50 км. Озон образуется из кислорода при облучении его ультрафиолетовым излучением с энергией фотонов hv > 5,12 эВ (1 < 242 нм). Процесс протекает в две стадии. Первая это диссоциация молекулярного кислорода на атомы. Вторая стадия это объединение атома и молекулы кислорода в молекулу озона. Схематически процесс представлен следующими реакциями [1]:

(1.1.1) (1.1.2)

(1.1.3)

Коэффициент поглощения света газообразным озоном в видимой области спектра очень мал (< 0,06 см"1), но в ультрафиолетовой области при X, = 200 - 300 нм достигает значений 150 см"1, причем максимум поглощения расположен на 255 нм рис. 1.1.1 Общее содержание озона определяется равновесием между образованием, переносом и разрушением озона. Разрушение озона происходит под действием света и реакции с атомарным кислородом:

(1.1.4)

(1.1.5)

02 + hv —► 20 02 + О —► 03 302 + 68 ккал -»• 203

03 + hv —► 02 + О 03 + О —> 202

Также убывание озона может происходить в результате каталитических процессов:

Х+03-+Х0+02 Х0+0^Х+02 Оз+О—>202

(1.1.6)

(1.1.7)

(1.1.8)

где катализаторами X могут быть, например, радикалы ОН, Н, NO, CI, Вг [1].

1800 §_ 1600 ^g 1400 ^

1200 f

1000

Q

* «S4

в

0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40 Wavelength, jam Рис. 1.1.1 - Спектр излучения Солнца вне земной атмосферы; 2 - на поверхности Земли; 3 - спектр поглощения солнечного света озоном. [1]

В результате естественный УФ-фон на поверхности Земли состоит только из UV-A и частично UV-B спектров, что составляет не более 1,5% от солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, при исходной доле УФ-спектра в

излучении Солнца около 5%. Наименьшая наблюдавшаяся длина волны на Земле - 286 нм — была выявлена в полярной области Земли. Кроме озона сильное поглощение УФ излучения в атмосфере дает и молекулярный кислород 02, полосы поглощения которого начинаются с 200 нм и короче и имеют максимум поглощения на 186 нм. Полосы поглощения УФ в атмосфере имеют также монооксид углерода СО: А,=130 нм; водяные пары Н20: 1=140 нм; метан: А,=147 нм; аммиак: А,=220 нм. Излучение короче 120 нм ("вакуумный УФ") быстро поглощается во всех материалах и газах и используется только в вакуумной спектроскопии и внеатмосферной астрофизике.

Так как излучение Солнца в диапазоне иУ-С почти полностью поглощается верхними слоями атмосферы, то на поверхности Земли оно может присутствовать только в искусственных высокотемпературных источниках, например в спектре излучения сильно нагретых газов (Т>4000 К), электрических разрядов и дуг. Этот факт, позволяет считать, что солнечное излучение не влияет на УФ-детекторы ЦУ-С диапазона (рис. 1.1.1) при обнаружении и идентификации источников УФ-излучения, в том числе и на фоне ярких источников видимого и ИК-излучения. [4]

1.2. Основные параметры полупроводниковых фотоприемных приборов

УФ-диапазона

Полупроводниковые фотоприемники обычно характеризуются различными параметрами такими, как [5,6]:

- спектральная область фоточувствительности АХ;

- квантовая эффективность С)Е = (1 - Я)г](1 - а) или токовая фоточувствительность Б] = (^Е/Ьу;

- площадь фотоприемной поверхности 8ея$

- рабочее напряжение Ур;

- темновой ток

-удельная обнаружительная способность Б* = (20/Ьс1)1/2

- быстродействие т (или граничная рабочая частота

- емкость С;

- операционные параметры - стабильность, устойчивость к ионизирующему излучению, максимально допустимое рабочее напряжение Утах, масса, габариты.

Здесь X - длина волны падающего излучения, Я - коэффициент отражения света от поверхности структуры, г) - внутренний квантовый выход, а - коэффициент потерь, Ьу - энергия кванта света, в - скорость генерации носителей, Ь — постоянная Планка, с — скорость света, I — толщина детектора.

Длинноволновая граница идеального фотоприемника должна соответствовать границе видимой и УФ областей (А. = 0,38 мкм), т.е. коэффициент поглощения света в исходном полупроводнике должен быть как можно меньшим при X > 0,38 мкм и как можно большим при X < 0,38 мкм.

Существует несколько способов создания необходимой спектральной области фоточувствительности [1]:

1) использование широкозонных полупроводниковых материалов с Eg, близкой к 3,2 эВ, таких как ваИ, АЮаТЧ, 6С-81С, 4Н-8Ю.

2) использование непрямозонных полупроводников с величиной Eg существенно меньшей 3,2 эВ, но с пороговой энергией прямых переходов Е0, близкой к этой величине, - например, ваР (Eg = 2,26эВ, Е0 = 2,8 эВ); при этом предполагается, что коэффициент поглощения света при Ьу < Е0 должен быть достаточно мал, а при Иу > Ео - достаточно велик;

3) использование хорошо освоенных промышленностью полупроводников, таких как 81, в сочетании с корректирующими УФ светофильтрами.

Диоды Шоттки (поверхностно-барьерные диоды) со структурой металл-полупроводник (т — б) широко используются в качестве УФ фотоприемников, поскольку область поглощения коротковолнового излучения находится вблизи поверхности полупроводника, в слое объемного заряда, где присутствует высокое электрическое поле и, следовательно, поверхностная рекомбинация не оказывает существенного влияния на процесс фотоэлектропреобразования. Высота идеального барьера Шоттки цсрв на основе полупроводников, в которых плотность

поверхностных состояний мала, определяется работой выхода электронов из металла Фти сродством к электрону полуп