Введение к работе
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 гетероструктур (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 (А12Оз), 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 р-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 р-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.
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:
-
Исследовать особенности формирования оконного слоя A1N, осажденного на сапфировой подложке.
-
Разработать процесс получения тонкого (0,1-0,2 мкм) активного слоя GaN на оконном слое A1N.
-
Сформировать эпитаксиальные слои (Al)GaN:Mg р-типа проводимости в широком диапазоне концентраций носителей заряда.
-
Получить ГС для изготовления УФ-ФК (200-365 нм), солнечно-слепых (250-280 нм) и видимо-слепых (320-360 нм) p-i-n ФП.
-
Изучить характеристики фотоприемных приборов УФ-диапазона на основе ГС (Al)GaN/AlN и установить взаимосвязь их выходных характеристик с параметрами ГС.
Научная новизна работы
-
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.
-
Для получения р-типа проводимости активной области p-GaN УФ-ФК, контактного p-GaN и фотодиодного p-Alo^Gao^N слоев р-i-n ФП использовался двухступенчатый быстрый термический отжиг, обеспечивающий эффективную активацию примеси Mg.
-
Установлена взаимосвязь между квантовой эффективностью УФ-ФК и структурным совершенством активной области ГС (Al)GaN/AlN.
-
Экспериментально показано, что введение в состав широкозонного оконного слоя короткопериодной сверхрешетки AlGaN/AIN позволяет формировать слои n-Alo^Gao^N и p-Alo^Gao^N требуемого качества в составе одной ГС, обеспечивающие изготовление солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП на их основе.
Практическая значимость результатов работы
-
Предложены режимы формирования оконного слоя A1N для приборных структур p-i-n УФ-ФП и УФ-ФК.
-
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 > 10 см" .
-
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.
-
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.
-
Применение двухступенчатого быстрого термического отжига позволяет сформировать активную область УФ-ФК и контактный слой р-i-n ФП с концентрацией дырок р > 10 см" .
-
Использование тонкого оконного слоя A1N (d=20-40 нм) является одним из способов обеспечения высокой квантовой эффективности (>25 %) УФ-ФК на основе ГС (Al)GaN/AlN.
-
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 А,=250-270 нм и А,=330-350 нм.
Личный вклад автора
Автор работы лично участвовал в постановке задач исследования, разработке конструкции и проведении процессов получения ГС (Al)GaN/AlN 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 Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы (Ульяновск, Россия, 2012); 4th International Symposium on Growth of Ill-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 и объем диссертации
