На правах рукописи

Мазалов Александр Владимирович

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ (Al)GaN/AlN 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

Москва 2013

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.3, 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.3, ОАО «НИИ «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 УФдиапазона, 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 УФдиапазона, 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 (ФП) и УФфотокатодов (ФК), благодаря непрерывному ряду твердых растворов и широкому диапазону изменения ширины запрещенной зоны от GaN (3,42 эВ) до AlN (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 (Al2O3), 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 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 AlN, 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 AlN 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 AlN 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 n- и p- типа проводимости с высоким содержанием Al [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 AlN, осажденного на сапфировой подложке.

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

Сформировать эпитаксиальные слои (Al)GaN:Mg p-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 AlN для фотоприемных приборов УФдиапазона с вводом излучения через подложку получены путем совместного использования высокой температуры роста и переменного отношения V/III.

Для получения p-типа проводимости активной области p-GaN УФ-ФК, контактного p-GaN и фотодиодного p-Al0,45Ga0,55N слоев p-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/AlN позволяет формировать слои n-Al0,6Ga0,4N и p-Al0,45Ga0,55N 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 AlN для приборных структур p-i-n УФ-ФП и УФ-ФК.

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

Разработана конструкция и методика получения ГС (Al)GaN/AlN для УФФК. 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 320х256 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 Для формирования высококачественного оконного слоя 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 p-i-n ФП с концентрацией дырок p 1018 см-3.

Использование тонкого оконного слоя AlN (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/AlN в дополнение к высокотемпературному оконному слою AlN 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- нм и =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 ХХI 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 (СанктПетербург, 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 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 AlN 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, AlN и твердых растворов на их основе. Рассмотрены проблемы, связанные с легированием слоев GaN.

Проанализированы основные параметры ГС (Al)GaN/AlN и характеристики p-i-n 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 (Al)GaN/AlN и основных режимах роста. Приведены характеристики измерительного оборудования, использовавшегося для исследования ГС (Al)GaN/AlN.

Третья глава посвящена разработке эпитаксиальных ГС (Al)GaN/AlN 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).

Рис. 1. Схематическое изображение ГС (Al)GaN/AlN для УФ-ФК, работающих на 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 AlN или AlGaN, высококачественных слоев AlN в условиях МОС-гидридной эпитаксии, осложняется наличием паразитных реакций между аммиаком (NH3) и триметилалюминием (TMAl) в газовой фазе с образованием частиц AlN. Эти реакции ухудшают структурное совершенство материала и существенно снижают скорость роста [4]. В данной работе паразитные реакции между NH3 и TMAl 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 AlN с требуемыми для УФ-ФК параметрами. Показано, что использование низкотемпературного (T = 600 oC) зародышевого слоя AlN 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 AlN сформированные на высокотемпературном (T = 1100-1200 oC) зародышевом слое AlN. При этом установлено, что важнейшее влияние на параметры слоя AlN оказывает отношение V/III 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 AlN (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 AlN 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 AlN с переменным соотношением V/III от 1 до 100. Такой подход позволил получить образцы AlN с узкой полушириной пика рентгеновской кривой качания (100- угловых секунд) и гладкой поверхностью (rms=0,5-2 нм).

Для повышения чувствительности УФ-ФК исследовано влияние толщины оконного слоя AlN на параметры активной области GaN для ГС (Al)GaN/AlN УФ-ФК. Изучены три образца с толщиной AlN 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 AlN 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).

Рис.2. Кривые качания образцов GaN/AlN с различной толщиной оконного 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/AlN. 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 ~1020 см-3.

Типичная картина влияния расхода легирующей примеси (Cp2Mg) на концентрацию носителей в слое p-GaN представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость концентрации носителей заряда в p-GaN от расхода Видно, что с увеличением расхода Cp2Mg 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 (Al)GaN:Mg с требуемой концентрацией дырок.

При легировании слоев GaN магнием в условиях МОС-гидридной эпитаксии водород образует с атомами Mg электрически нейтральные комплексы (Mg-–H+)0 [8]. Существует несколько методов активации атомов Mg, 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 Mg–H и удаление водорода H+ посредством диффузии к поверхности образца [8]. Экспериментально определены оптимальная температура и время отжига для активации Mg. Отжиг проводился в реакторе эпитаксиальной установки. Варьирование температуры отжига показало сильное изменение электрофизических свойств p-GaN:Mg. Исходя из результатов измерений образцов, обработанных при различных температурах, наиболее эффективным оказался отжиг при 1000 oC.

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 oC 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 Mg разработана методика двухступенчатого быстрого термического отжига. Основная идея этой методики заключается в разделении процесса активации Mg на две стадии. На первом этапе происходит разрушения Mg-H комплексов при высокой температуре (1000 oC). На втором этапе, проходящим при низкой температуре (800 oC), водород выводится из GaN посредством диффузии к поверхности через дефекты (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 (Al)GaN/AlN изготовлены УФ-ФК и фотоприемные модули на их основе. Измерения характеристик УФфотоприемного модуля продемонстрировали однозначную зависимость квантовой эффективности от полуширины пика рентгеновской кривой качания активного слоя. В табл. 1 представлена зависимость квантовой эффективности 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 AlN (20 нм). Квантовая эффективность превышала 20 % в спектральном диапазоне (230-300 нм) с максимальным значением 26% (рис. 4).

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

№ Толщина AlN, рентгеновской кривой Рис. 4. Зависимость квантовой эффективности УФ-ФК от длины волны.

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

Четвертая глава посвящена разработке ГС для солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП. Основой таких приборов является нелегированный активный слой, помещенный между областями p- и n-типа проводимости.

Дополнительно, для обеспечения ввода излучения через подложку необходимо использовать широкозонный оконный слой (рис. 5).

Рис. 5. Схематическое изображение ГС (Al)GaN/AlN для p-i-n УФ-ФП с вводом излучения через подложку: а) солнечно-слепого диапазона;

Важным моментом при формировании ГС (Al)GaN/AlN на подложках Al2O3 является необходимость использования промежуточных оконных слоев, призванных повысить кристаллическое совершенство фоточувствительной структуры. При этом ширина запрещенной зоны таких слоев должна быть достаточной для прохождения света в активную область. Исходя из этого материалом оконного слоя выбран AlN.

Для повышения чувствительности УФ-ФП дополнительно к оконному слою была сформирована сверхрешетка AlGaN/AlN 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 AlN и сверхрешетки, полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа. Отчётливо проявляется значительная плотность дефектов, имеющих своим началом гетерограницу AlN/Al2O3.

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

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

С использованием указанного подхода сформированы фильтрующие слои n-Al0,6Ga0,4N, n-Al0,25Ga0,75N и фотодиодный слой p-Al0,45Ga0,55N для солнечнослепых и видимо-слепых p-i-n ФП. Для n-Al0,6Ga0,4N получены значения удельного электрического сопротивления, подвижности и концентрации носителей заряда на уровне 0,022 Омсм, 33,5 см2/Вс и 8,51018 см-3. Для n-Al0,25Ga0,75N значения электрофизических параметров составляли 0,027 Омсм, 70 см2/Вс и 31018 см-3. Путем оптимизации условий роста, расхода легирующей примеси и быстрого термического отжига удалось получить эпитаксиальные слои p-Al0,45Ga0,55N имеющие удельное электрическое сопротивление, подвижность и концентрацию носителей заряда на уровне 8 Омсм, 1 см 2/Вс и 81017 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.

Рис. 7. Зависимость чувствительности солнечно-слепого p-i-n ФП от длины Опираясь на достигнутые результаты по формированию отдельных слоев, созданы приборные ГС для солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n-ФП. Из полученных ГС изготовлены матрицы формата 320х256, шаг 30 мкм с размером фоточувствительной площадки 25x25 мкм.

На рис. 7 и рис. 8 показаны зависимости чувствительности солнечнослепого и видимо-слепого p-i-n ФП от длины волны падающего света.

Положение коротковолновой и длинноволновой границ полученного спектра фоточувствительности определяется составами фильтрующего и поглощающего слоев ГС соответственно.

Рис. 8. Зависимость чувствительности видимо-слепого p-i-n ФП от длины волны Полученные значения спектральной чувствительности УФ-ФП делают такие приборы привлекательными для создания оптико-электронных систем УФдиапазона.

Основные результаты работы Исследованы особенности формирования оконного слоя AlN, 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.

Определены режимы легирования и условия термического отжига эпитаксиальных слоев (Al)GaN:Mg для получения p-типа проводимости.

Установлена зависимость концентрации дырок от расхода легирующей примеси Cp2Mg. Для получения p-типа проводимости исследованы различные режимы отжига слоев (Al)GaN:Mg а атмосфере азота. Предложен и апробирован подход по активации примеси p-типа проводимости в эпитаксиальных слоях GaN:Mg с использованием двухступенчатого быстрого термического отжига, позволяющий получать сильнолегированные слои с концентрацией дырок p1018 см-3.

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

Экспериментально показано, что введение в состав широкозонного оконного слоя короткопериодной сверхрешетки AlGaN/AlN позволяет формировать слои n-Al0,6Ga0,4N и p-Al0,45Ga0,55N требуемого качества в составе одной ГС, обеспечивающие изготовление солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП на их основе.

Сформированы фильтрующие слои n-Al0,6Ga0,4N, n-Al0,25Ga0,75N и фотодиодный слой p-Al0,45Ga0,55N для солнечно-слепых и видимо-слепых p-i-n ФП. Для n-Al0,6Ga0,4N получены значения удельного электрического сопротивления, подвижности и концентрации носителей заряда на уровне = 0,022 Омсм, = 33,5 см2/Вс и n = 8,51018 см-3. Для n-Al0,25Ga0,75N значения электрофизических параметров составляли = 0,027 Омсм, = 70 см2/Вс и n = 31018 см-3. Для фотодиодного слоя p-Al0,45Ga0,55N полученные значения составляли = 8 Омсм, = 1 см2/Вс и p = 81017 см-3.

Созданы ГС (Al)GaN/AlN и на их основе изготовлены матричные солнечно-слепые и видимо-слепые p-i-n ФП, формата 320х256 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 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 // 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 photodiodes // Applied Physics Letters. – 2004. – Vol. 84. – P. 1248-1250.

Лундин В.В., Николаев А.Е., Сахаров А.В., Брунков П.Н., Заварин Е.Е., Цацульников А.Ф. Эпитаксия слоев AlN с высокой скоростью роста в планетарном МОС-гидридном реакторе // Письма в ЖТФ. – 2010. – Том. 36. – Вып. 24. – C. 33-39.

5. Xi Y. A., Chen K. X., Mont F., Kim J. K., Wetzel C., Schubert E. F., Liu W., Li X., and Smart J. A. Very high quality AlN 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:

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 ХХI Международной научнотехнической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. – Москва, Россия. – 2010. – 25-28 мая. – С. 23.

Акчурин Р.Х., Мармалюк А.А., Мазалов А.В., Падалица А.А., Сабитов Д.Р.

Исследование процесса получения AlN на подложках Al2O3 в условиях МОСгидридной эпитаксии // Материалы X Юбилейной Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии». – Ставрополь, Россия. – 2010. – 17-22 сентября. – С. 151-153.

Мазалов А.В., Падалица А.А., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк А.А., Акчурин Р.Х. Исследование процесса роста AlN при помощи «in situ»

методов контроля в условиях МОС-гидридной эпитаксии // Материалы XIV Национальной конференции по росту кристаллов. – Москва, Россия. – 2010. – 6декабря. – Том 2. – С. 96.

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

Бакин В.В., Косолобов С.Н., Шайблер Г.Э., Терехов А.С., Лундин В.В., Николаев А.Е., Сахаров А.В., Цацульников А.Ф., Мармалюк А.А., Мазалов А.В.

Пространственная однородность и температурная стабильность полупрозрачного фотокатода p-GaN(CsO)/AlN/c-Al2O3 // Тезисы докладов 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы». – Санкт-Петербург, Россия. – 2011. – 26-28 мая. С. 91-92.

Мазалов А.В., Падалица А.А., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк А.А., 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». – СанктПетербург, Россия. – 2011. – 26-28 мая. – С. 224-225.

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

Балясный Л.М., Чистов О.В., Широков Д.А., Мармалюк А.А., Мазалов А.В.

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

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

58-59.

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

12. Мазалов А.В., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица А.А., Мармалюк А.А., Акчурин Р.Х. Влияние условий роста на структурное совершенство слоев AlN, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии // Известия вузов.

Материалы электронной техники. – 2013. – № 1. – С. 45-48.

13. Мазалов А.В., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица А.А., Мармалюк А.А., 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 А.А., Мармалюк А.А., Мазалов А.В., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица А.А. 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 А.А., Мазалов А.В., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк А.А., Брыковский А.А., Акчурин Р.Х. Методы повышения структурного совершенства слоев AlN, 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 А.В., Эйдук О.Б., Падалица А.А., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Мармалюк А.А., 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 А.В., Сабитов Д.Р., Курешов В.А., Падалица А.А., Мармалюк А.А., Акчурин Р.Х., Чинарева И.В., Хакуашев П.Е., Болтарь К.О., Федиев Н.В., Бурлаков И.Д. Получение гетероструктур AlGaN/GaN для фотоприемников УФдиапазона // Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы». – Москва, Россия. – 2013. – 13- июня. – С. 178-179.

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