Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые приборы на широкощелевых нитридах III-ей группы по многим параметрам превосходят традиционные приборы на Si и GaAs. По достигнутым характеристикам особенно отличаются приборы на нитриде галлия. Этот материал обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, а также по сравнению с кремнием имеет более высокую электропроводность и теплопроводность. Все это обуславливает применение GaN в качестве активных сред высокотемпературных транзисторов, пригодных для работы даже в крайне неблагоприятных условиях, а также в оптоэлектронике и спинтронике [1]. Материалы на основе нитрида галлия используются в полупроводниковых лазерах, работающих в коротковолновой области видимого диапазона, причем частота излучения зависит от концентрации допантов. Для целенаправленного использования соединений типа YxGa1-xN большое значение имеет исследование зависимости их электронно-энергетических характеристик от концентрации x и типа атомов-заместителей Y. Также важную роль играют тонкие (нанометровые) пленки GaN, поверхностью которых преимущественно обусловлены их электронно-энергетические и оптические характеристики. В связи с этим актуальной задачей является разработка моделей, пригодных для исследования свойств GaN-структур методами квантовой механики.
Степень разработанности темы исследования. Зонная структура бездефектного гексагонального нитрида галлия и его немагнитных твердых растворов исследовалась в работах В.В. Илясова, Т.П. Ждановой, И.Я. Никифорова, Т.В. Горкавенко, Д. Фритч, Р. Чериан, М.А. Каро, С. Шульца и др. Свойства магнитных разбавленных полупроводников на основе нитрида галлия изучены в трудах С. Лиу, Ф. Юн, Ш. Моркока, Ж. Ксионг, С. Ши, Ф. Джианга, С. Ди Валентина, Ф. Гуанг-Хана, Ж. Тиан-Минга, С.Х. Ли и др. В работах В.В. Соболева и М.А. Стерховой изучены оптические спектры гексагонального нитрида галлия. Исследования Р.З. Бахтизина посвящены экспериментальному исследованию поверхности пленок нитрида галлия. Физические свойства тонких пленок нитрида галлия изучены также в работах Т. Ито, Т. Акиямы, К. Накамуры, Ю. Учиды, В.В. Гримальского, С.В. Кошевой, Ю.Г. Рапопорта и др. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования в данных областях: изучение новых типов разбавленных магнитных полупроводников, твердых растворов в более широком диапазоне значений концентраций допантов, оптических свойств пленок нитрида галлия с учетом формирования сложных поверхностных структур.
Целью работы является выявление особенностей электронно-энергетических и оптических характеристик гексагонального нитрида галлия с дефектами в объеме и на поверхности путем моделирования и квантовомеханического расчета (на основе вычислительных схем высокого уровня) соответствующих модельных структур. Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
1. Разработка модели трехмерной структуры нитрида галлия с дефектами в объеме различной концентрации.
2. Разработка модели тонкой пленки нитрида галлия как изолированной, так и с учетом влияния подложки.
3. Расчет и анализ энергетического спектра электронов и оптических характеристик объемных и поверхностных GaN-структур на основе предложенных моделей.
Научная новизна. В диссертации впервые:
1. Предложена и использована для квантовомеханических расчетов модель трехмерной структуры гексагонального GaN с дефектами в объеме различной концентрации.
2. На основе предложенной структурной модели гексагонального нитрида галлия с дефектами в объеме изучены электронно-энергетические характеристики разбавленных магнитных полупроводников TiGaN и ZnGaN в более широком (из известных результатов теоретических исследований) диапазоне концентраций допантов.
3. Доказано, что оптические свойства h-GaN обусловлены преимущественно не объемной, а поверхностной фазой.
4. Предложена структурная модель конечнослойных h-GaN с дополнительными атомами на поверхности. Доказано преимущество данной модели для изучения оптических свойств h-GaN методами квантовой механики.
5. На основе предложенной модели с дополнительными поверхностными атомами изучены электронно-энергетические и оптические характеристики тонких GaN-пленок с дефектами на поверхности.
Научная и практическая ценность работы.
1. Разработанные модели GaN-структур могут быть применены в исследованиях различных (не только тех, которые представлены в диссертации) физических свойств структур на основе h-GaN.
2. Результаты исследования зонной структуры (B,Al,In)/GaN и (Ti,Zn)/GaN могут быть использованы при разработке приборов оптоэлектроники и спинтроники.
3. Структурная модель пленки GaN с дополнительными атомами позволяет объяснить образование островковых структур на поверхности экспериментальных образцов GaN.
4. Структурная модель пленки GaN с дополнительными атомами на поверхности может быть использована в зонной инженерии (контролируемом изменении зонной структуры) для разработки а) гетероструктурных транзисторов с высокой подвижностью электронов; б) лазеров на квантоворазмерных структурах.
5. Результаты исследования тонких GaN-пленок с дефектами на поверхности на основе предложенной модели с дополнительными поверхностными атомами могут быть использованы для управления оптическими свойствами конечнослойных GaN-структур при разработке оптоэлектронных приборов.
Объекты и методы исследования.
В качестве объектов исследования выбраны:
а) трехмерный гексагональный нитрид галлия как бездефектный, так и с дефектами в объеме (B, Al, In, Ti, Zn) различной концентрации;
б) тонкие пленки гексагонального нитрида галлия как бездефектные, так и с дефектами на поверхности (P, As, Sb, Bi, Al, In).
Для исследования физических свойств GaN-структур применены современные расчетные схемы на основе теории функционала электронной плотности с учетом оптимизации геометрии изучаемых систем. На основе рассчитанной электронно-энергетической структуры изучены магнитные и оптические свойства твердых растворов нитрида галлия и тонких GaN-пленок.
Положения, выносимые на защиту:
1. Изовалентное замещение атомов галлия в объемной фазе нитрида галлия не приводит к появлению состояний в запрещенной зоне полупроводника. Замещение атомов галлия на атомы титана или цинка приводит к появлению донорных и акцепторных состояний в энергетическом спектре электронов, плотность которых зависит от концентрации примеси.
2. Оптические характеристики нитрида галлия обусловлены не объемной, а, главным образом, поверхностной структурой нитрида галлия.
3. Модель двумерной структуры GaN с атомарно чистой поверхностью как изолированной, так и на подложке карбида кремния обеспечивает частичную корреляцию оптических свойств с экспериментальными результатами.
4. Модель двумерной структуры GaN с дополнительными атомами на поверхности обеспечивает практически полную корреляцию рассчитанных оптических свойств с наблюдаемыми в эксперименте свойствами пленок нитрида галлия, выращенных на подложке.
Достоверность результатов обеспечивается применением вычислительных схем высокого уровня (широко апробированных ранее в задачах физики многоатомных систем), а также корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными и с выводами других исследователей.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на 16-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010 г.), на VII Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2011 г.), на VI Международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» (Воронеж, 2012 г.), на IX Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2012 г.), на внутривузовских конференциях ВолгГТУ (2011-2012 гг.).
Публикации. Основные результаты опубликованы в следующих рецензируемых журналах: «Известия вузов. Физика», «Журнал структурной химии», «Известия ВолгГТУ. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь», а также в сборниках тезисов конференций. Всего – 7 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.04 – «Физическая электроника», а именно пункту 2 – «Твердотельная электроника, в том числе СВЧ-электроника, полупроводниковая электроника, акустоэлектроника, сверхпроводниковая электроника, спиновая электроника, оптоэлектроника, криоэлектроника» и пункту 4 – «Физические явления в твердотельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах; проводящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях».
Личный вклад автора заключается в том, что им а) построены структурные модели трехмерного гексагонального нитрида галлия с дефектами в объеме [2, 3, 5] и модели тонких пленок как бездефектных [1, 4], так и с дефектами на поверхности [6, 7]; б) проведены расчеты электронно-энергетических и оптических характеристик исследуемых объектов [1-7]; в) совместно с научным руководителем проанализированы результаты компьютерного моделирования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, включая 43 рисунка и 5 таблиц.
