Научная деятельность


Проект «Широкозонные полупроводники и приборы на их основе» был направлен на исследование новых структур и приборов на основе широкозонных полупроводников, главным образом, на основе нитридов третьей группы. Работа делилась на несколько задач. Перечислим их в том порядке, в котором они освещаются в отчёте. Во-первых, это исследование характеристик структур с наностолбиками, приготовленных сухим травлением. Как известно, угол полного внутреннего отражения в нитридах довольно мал, что приводит к сравнительно низкой эффективности вывода света из планарных светодиодов. Использование светодиодов с наноструктурированной поверхностью, с наностолбикоми и наноотверстиями, позволяет существенно повысить эффективность вывода света за счёт рассеяния и за счёт эмиссии через боковые стенки. Это особенно актуально для УФ светодиодов на основе AlGaN/GaN, поскольку в них направление поляризации света таково, что он преимущественно распространяется вдоль плоскости кантовых ям и хорошо выводится лишь через боковые стенки. Кроме того, чтобы добиться высокой концентрации дырок в р-эмиттере, его приходится делать из нитрида галлия, который сильно поглощает УФ излучение. Большие пьезоэлектрические поля в квантовых ямах на основе нитридов пространственно разделяют электроны и дырки в ямах и снижают тем самым величину внутреннего квантового выхода. Наконец, высокая плотность дислокаций в нитридах приводит к большой скорости безызлучательной рекомбинации. Применение структур с наностолбиками позволяет серьёзно ослабить влияние всех этих факторов. В литературе описаны два способа получения структур с наностолбиками: выращивание таких наностолбиков с использованием металлических катализаторов или же сухое травление планарных структур через наномаску. Первый способ позволяет получать излучающий слой практически без дислокаций и с малыми значениями упругих напряжений, обойти проблему самопоглощения света в р-эмиттере, а также растить латеральные светодиодные структуры на наностолбиках без поляризационных полей. Недостатком подхода является сложность получения структур с высокой плотностью наностолбиков, высокой однородность длины и диаметра наностолбиков и высокой однородностью параметров квантовых ям. Второй способ позволяет решить большинство этих проблем и отличается простотой и дешевизной. Но важной проблемой в этом варианте было установить является ли распределение дислокаций по наностолбикам равномерным, а также найти способы устранения отрицательного влияния, оказываемого на эффективность люминесценции радиационными дефектами, вносимыми в стенки наностолбиков при сухом травлении. В нашей работе показано, что при оптимальном выборе метода приготовления наномаски дислокации распределяются по наностолбикам хаотически, так что доля наностолбиков с дислокациями не превышает для стандартных структур от трети до четверти полного числа наностолбиков, так что по этому показателю структуры, приготовленные сухим травлением, мало уступают выращенным. Также нами были найдены условия обработки поверхности после сухого травления, позволяющие минимизировать влияние радиационных дефектов.

Второе направление нашей работы было связано с изучением взаимодействия нитридных структур с локализованными поверхностными плазмонами, образуемыми металлическим наночастицами. Если частота плазменного резонанса близка к энергии, излучаемой квантовыми ямами светодиодной структуры, а расстояние между слоем металлических наночастиц и слоем квантовых ям не превышает длины на которой дипольное электрическое поле локализованных плазмонов существенно спадает (порядка 70-80 нм) можно получить весьма существенное усиление квантового выхода люминесценции из квантовых ям. Здесь структуры с наностолбиками оказываются весьма полезны, поскольку позволяют существенно приблизить слой наночастиц к слою квантовых ям. Преимуществом подхода, основанного на сухом травлении является то, что он может быть инкорпорирован в технологический процесс и в виде наноотверствий, в которых могут размещаться наночастицы. Нами продемонстрирована крайняя полезность такого подхода для повышения эффективности синих светодиодов, приготовленных методом MOCVD, а также УФ светодиодов, выращенных методом HVPE.

Последний метод в настоящее время интенсивно развивается рядом групп для изготовления объёмных монокрисунокталлов и квазиподложек нитридов и для создания приборных структур на основе нитридов. В рамках третьей задачи проекта нами были детально проанализированы свойства электронных и дырочных ловушек в таком материале и изучены спектры глубоких уровней, электрические, люминесцентные и структурные характеристики УФ светодиодов, приготовленных методом HVPE.

Ещё одной задачей проекта была разработка методов изучения спектров глубоких ловушек в приборах на основе нитрида галлия и установление роли этих ловушек в деградации приборов, а также изучение в этой связи возможной роли дислокаций. Был разработан ряд новых методов изучения спектров глубоких центров в транзисторных и светодиодных структурах на основе GaN. Для HEMT AlGaN/GaN продемонстрирована полезность метода «обратного DLTS” и метода измерения ВФХ при освещении, определено пространственное положение в структуре одной из важнейших ловушек, ответственных за коллапс тока и деградацию параметров. Для дислокаций показано, что они являются важными, но не единственными центрами безызлучательной рекомбинации, а их движение под действием инжекции носителей может служить причиной деградации характеристик транзисторов и светодиодов.

Нами были также изучены свойства структур, выращенных на пористых темплейтах нитрида галлия, приготовленных комбинацией методов электрохимического и фотоэлектрического травления. Показано, что этот метод полезен для отделения структур от подложки, на которой они выращены, и перенесения их на другую подложку, а также установлено существенное улучшение характеристик структур по сравнению с традиционными.

Наконец, были проведены задельные исследования электрических, люминесцентных, оптических и структурных характеристик других важных широкозонных материалов, карбида кремния и алмаза, используемых в качестве подложек для выращивания нитридных структур, но также имеющих и важное самостоятельное значение.

Работа проводилась в тесном контакте с рядом ведущих исследовательских групп за рубежом, что позволило компенсировать имеющиеся пока недостатки инфраструктуры: отсутствие собственной ростовой базы, отсутствие технологической базы для синтеза металлических наночастиц, отставание отечественных производителей приборов на основе нитридов от зарубежных.