РОЗДІЛ 2
СТРУКТУРА І СКЛАД ПЛІВОК GaN, ОТРИМАНИХ ШЛЯХОМ ОБРОБКИ МОНОКРИСТАЛІВ GaN В
АТОМАРНОМУ АЗОТІ
2.1. Технологічні аспекти вирощування нітридив
Нітриди третьої групи (InN– Eg @0,7 eB, GaN– Eg @3,4 eB, AlN Eg @6,2 eB) і
потрійні сполуки на їх основі InGaN, AlGaN формують групу широкозонних
матеріалів з унікальними властивостями, які є дуже перспективними для різних
застосувань у процесі виготовлення приладів як оптоелектроніки, так і суто
електронного призначення. На основі нітридів були створені яскраві
зелено–блакитні світлодіоди [22], блакитні лазери [23], ультрафіолетові
фотодетектори [24] і детектори в ультрафіолетовій/блактній/зеленій областях
спектра [25]. Світлодіоди на основі розчинів InGaN/AlGaN [26] і InGaN/GaN [27]
на даний момент мають комерційне застосування. Крім того, високі значення
пробивних полів і більша рухливість носіїв струму, високі значення швидкостей
насичення носіїв і термічна стабільність нітридів дозволяють використати їх для
створення потужних СВЧ– приладів. Відносно міцні атомні зв'язки GaN і нітридів
дозволяють використати їх для створення потужних високотемпературних приладів,
здатних стабільно працювати з температурами до 5000С.
Другим (після світлодіодів і лазерів) напрямком застосування нітридів III групи
є розробка польових транзисторів на основі AlGaN/GaN гетероструктур. Польові
транзистори на гетероструктурах AlGaAs/GaAs були відомі до останнього часу як
найбільш швидкодіючі напівпровідникові прилади. Однак після більше, ніж 25
років розвитку сучасні твердотілі прилади для генерації СВЧ– потужності,
засновані на GaAs, наблизилися до своєї теоретичної межі (близько 10 Вт на 10
ГГц). Генерація високої СВЧ–потужності дотепер забезпечується вакуумними
приладами. Застосування високої СВЧ–потужності вимагають системи контролю
повітряних сполучень, ТВ–системи. У 1993 році фірма APA Optics випустила перший
польовий гетеротранзистор GaN –HEMT. Потужні польові GaN–транзистори необхідні
для радарів із фазованими решітками, супутникового зв'язку, генераторів і
перемикачів базових станцій, комунікацій, де потрібна вихідна СВЧ– потужність
30–100 Вт. Уже створені й широко досліджуються на основі GaN польові
транзистори (FETs) [28], польові транзистори на основі гетеропереходів
AlGaN/GaN (HFETs) [29] і польові транзистори на бар’єрах Шоткі (MESFETs) [30].
Транзистори з високою електронною рухливістю на основі AlGaN/GaN
гетеропереходів (HEMTs) [31] і біполярні транзистори [32] відкривають нові
перспективи для використання нітридів у потужній, високочастотній та
високотемпературній електроніці. Досягнення в розробці польових транзисторів на
AlGaN/GaN гетероструктурах визначаються фундаментальними характеристиками
нітридних напівпровідників. Насамперед, це широка заборонена зона від 3,4 еВ
(GaN) до 6,22 еВ (InN). Прoбивні поля в GaN у 8 разів вище, ніж в GaAs (33• 105
B/Cм і 4 •105 B/См). Великий інтерес викликало виявлення п’єзоелектричних полів
у квантових ямах InGaN/GaN гетеропереходів [33]. Це обумовлено, в першу чергу,
меншою ймовірністю утворення дефектів в ідеальній решітці нітридів, ніж у
решітках арсенідів і фосфідів у зв'язку з більш сильним зв'язком атомів металів
з атомами азоту, ніж з атомами миш'яку й фосфору. Така ситуація сприяє
підвищенню експлуатаційних параметрів приладів на основі нітридів:
довговічності, вихідної потужності, робочої частоти, термічної, механічної,
радіаційної й хімічної стабільності [34–37].
Технологічні, фізичні та приладові розробки щодо нітридив III групи є галузями
напівпровідникової техніки, що бурхливо розвиваються. Кількість публікацій,
присвячених цим проблемам, щорічно досягає близько 10 тис. За останні роки
з'явилися огляди, присвячені нітридам III групи, зокрема структурним,
електрофізичним, оптичним та люмінесцентним властивостям цих матеріалів. Проте
досягнення останніх 5—7 років, особливо у зв'язку зі швидким розвитком
технологій та приладових розробок, у них відображені не досить повно.
Нами було проаналізовано [19*, 35*, 38*] досягнутий на сьогодні рівень
технології отримання епітаксійних плівок нітридив III групи, приладових гетеро–
та квантово–розмірних структур на їх основі, а також досягнення останніх років
у розробці та технічній реалізації оптоелектронних та високочастотних
електронних приладів нового покоління.
GaN був синтезований у вигляді порошку ще на початку XX століття. Цей матеріал
був основою перших експериментальних досліджень оптичних і електричних
властивостей [39].
Перші кристали GaN були синтезовані в структурі типу вюрцит. Рекомбінаційне
випромінювання кристалічного GaN, мабуть, вперше спостерігав Х. Г. Гріммайс зі
співробітниками у 1959 р. [39]. Однак інші фізичні властивості кристалів GaN
почали інтенсивно досліджуватись і використовуватись тільки після 1969 p., коли
Х. П. Мариска та Ж. Ж. Тiтьєм [40,41] досягли суттєвих успіхів у вирощуванні
перших монокристалів GaN на сапфіровій підкладці за допомогою гідридної
газофазної епітаксії (ГГФЕ). Вони з'ясували, що монокристалічний GaN належить
до прямозонних напівпровідників із шириною забороненої зони 3,39 еВ за
кімнатної температури. Ці успіхи стимулювали і прискорили подальше дослідження
фізичних властивостей GaN.
Протягом 70–х років у всьому світі підвищується інтерес до проблеми нітридив
III групи; приблизно на порядок збільшується кількість публікацій у цьому
напрямі (рис. 2.1, інтервал А).
У 1971 р. Р. Діпгл та інші вчені продемонстрували стимульоване оптичною
накачкою УФ–випромінювання кристалу GaN за температури Т=2 К [42]. Перший
синьо–зелений СД був розроблений Ж.Панковим та ін.
- Київ+380960830922