ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InGaN/GaN ПРИ ОБЛУЧЕНИИ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Введение 5
Глава 1. Обзор литературы и постановка задач диссертационной работы 13
1.1 Взаимодействие СЭП с полупроводниками и диэлектриками 14
1.2 Излучательная рекомбинация в квантовых ямах InGaN 17
1.2.1 Модель идеальной квантовой ямы 17
1.2.2 Хвосты плотности состояний в квантовых ямах InGaN 19
1.2.3 Пьезоэлектрические поля в квантовых ямах InGaN 20
1.2.4 Модель двумерной комбинированной плотности состояний 21
1.2.5 Модель двумерной донорно-акцепторной рекомбинации в квантовых ямах InGaN/GaN 24
1.2.6 Стимулированная люминесценция и лазерная генерация в гетероструктурах InGaN/GaN 25
1.3 Деградация гетероструктур на основе InGaN/GaN 27
1.3.1 Деградация светодиодных гетероструктур на основе InGaN/GaN 28
1.3.2 Катастрофическая деградация лазерных гетероструктур на основе InGaN/GaN 37
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Исследуемые образцы и методика эксперимента 41
2.1 Образцы для исследования 41
2.1.1 Гетероструктуры на основе квантоворазмерной активной области InGaN/GaN 41
2.1.2 Эпитаксиальные слои GaN с разной плотностью дислокаций 43
2.2 Методика эксперимента 44
2.2.1 Время-разрешенная люминесцентная спектрометрия 44
2.2.2 Низкотемпературные измерения спектров КЛ 49
2.2.3 Измерение интегральных спектров люминесценции 50
2.2.4 Измерение спектров возбуждения и ФЛ при облучении Xe лампой 52
2.2.5 Измерение спектров пропускания 53
2.2.6 Фотографирование спектров КЛ гетероструктур 53
2.2.7 Фоторегистрация пространственного распределения свечения по поверхности образцов 54
Глава 3. Особенности люминесценции гетероструктур InGaN/GaN и эпитаксиальных слоёв GaN при возбуждении СЭП 56
3.1 Стимулированная КЛ в гетероструктурах на основе InGaN/GaN 56
3.2 Флуктуации спектральных и амплитудных характеристик стимулированной КЛ в гетероструктурах InGaN/GaN 61
3.3 Низкотемпературная КЛ InGaN – квантовых ям и слоёв GaN 64
3.4 Влияние уровня возбуждения на спектрально-кинетические характеристики спонтанной люминесценции гетероструктур InGaN/GaN 66
3.5 Время-разрешенная люминесценция гетероструктур InGaN/GaN 71
3.6 Фотовозбуждение и фотолюминесценция гетероструктур InGaN/GaN 73
3.7 Вклад излучения сапфировой подложки в спектр КЛ исследуемых
структур 79
3.8 Влияние плотности дислокаций на люминесценцию эпитаксиальных
слоёв GaN 83
3.9 Обсуждение особенностей излучательной рекомбинации в гетероструктурах InGaN/GaN при возбуждении СЭП 87
Выводы по главе 3 94
Глава 4. Разрушение гетероструктур InGaN/GaN и эпитаксиальных слоёв GaN при возбуждении СЭП 96
4.1 Морфология разрушений в гетероструктурах InGaN/GaN 96
4.2 Морфология разрушений в эпитаксиальных слоях GaN 104
4.3 Обсуждение механизмов разрушения структур на основе нитрида галлия
под действием СЭП 109
4.4 Способ диагностики электрических микронеоднородностей в гетероструктурах на основе InGaN/GaN 113
Выводы по главе 4 120
Глава 5. Взаимодействие люминесценции гетероструктур InGaN/GaN с электронно-пучковыми разрушениями 122
5.1 Пространственное распределение спонтанной люминесценции InGaN-КЯ
в образцах с электронно-пучковыми разрушениями 122
5.2 Пространственное распределение стимулированной люминесценции InGaN КЯ в образцах с электронно-пучковыми разрушениями 124
5.2.1 Локальные «зеркала» 124
5.2.2 Дифракционные микроструктуры 127
Выводы по главе 5 131
Заключение 133
Список сокращений и условных обозначений 136
Список литературы 137

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы. Исследование наноструктурированных материалов является одним из наиболее активно развивающихся направлений современной физики конденсированного состояния. В этих исследованиях важное место отводится изучению люминесцентных свойств и радиационной стойкости гетероструктур на основе квантоворазмерной активной области InGaN/GaN, что связано с необходимостью решения новых фундаментальных и прикладных проблем оптоэлектроники и нанофотоники.
Благодаря созданию и совершенствованию гетероструктур на основе нитридов III-группы твердотельная электроника за последние два десятилетия достигла впечатляющих результатов. На базе данных материалов разработаны различные компоненты фотоники, силовой и СВЧ-электроники [1-3]. Потребность в гетероструктурах на основе InGaN/GaN продолжает неуклонно расти. Производство высококачественных наногетероструктур с заданными характеристиками и высокой надежностью требует, в первую очередь, глубокого понимания механизмов излучательной рекомбинации и деградации в данных материалах. Кроме того, в процессе выращивания гетероструктур необходимы эффективные, экспрессные и недорогие методы их диагностики.
Степень разработанности темы исследования. Свойства наноразмерных структур сильно отличаются от таковых для объёмных полупроводниковых макрокристаллов и могут быть исследованы с применением современных высокоинформативных методов, в частности метода импульсной люминесцентной спектрометрии с временным разрешением и возбуждением сильноточным электронным пучком (СЭП) наносекундной длительности. Термин «сильноточный электронный пучок» используется в значении, которое было заложено в него в первых работах [4-6] по исследованию взрывной электронной эмиссии с применением высоковольтных генераторов импульсных напряжений. На сегодняшний день СЭП успешно применяется в качестве источника возбуждения люминесценции макрокристаллов [4-8], позволяя получить информацию о процессах излучательной рекомбинации в образцах, линейные размеры которых превышают глубину проникновения высокоэнергетических электронов. Значение тока СЭП достигает величины
103 – 105 А. В отличие от слаботочных электронных пучков, плотность тока j которых не превышает 10 5 А/см2, сильноточные характеризуются величиной
j ? 1 А/см2, что обусловливает создание высокого уровня и плотности ионизации одновременно, формирование плотной электронно-дырочной плазмы (ЭДП), передачу кристаллической решётке энергии, достаточной для быстрого разогрева (термоудар), формирование больших электрических полей и интенсивных продольных и изгибных акустических волн [4, 9].
В отличие от макрокристаллов возможности и преимущества применения СЭП для исследования свойств наногетероструктур, выращенных в различных технологических условиях, на момент начала данной работы были не изучены, кроме того отсутствовали работы по определению радиационной стойкости гетероструктур на основе InGaN-квантовых ям (КЯ), в частности их разрушения, под действием СЭП, что необходимо для применения высокоэнергетических электронных пучков в качестве источника возбуждения люминесценции данных материалов.
Цель работы – экспериментальное выявление закономерностей люминесценции и определение механизма разрушения гетероструктур на основе квантоворазмерной активной области InGaN/GaN, выращенных на сапфировых подложках, при облучении СЭП наносекундной длительности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение измерений амплитудных и спектрально-кинетических характеристик катодолюминесценции (КЛ) гетероструктур InGaN/GaN и эпитаксиальных слоёв GaN с разной плотностью дислокаций при возбуждении СЭП и их сравнение с характеристиками фотолюминесценции (ФЛ) исследуемых образцов.
2. Определение влияние уровня возбуждения на люминесцентные характеристики гетероструктур InGaN/GaN.
3. Выявление особенностей и определение механизма формирования разрушений в гетероструктурах InGaN/GaN и эпитаксиальных слоях GaN при облучении СЭП.
4. Оценка возможности и преимуществ применения СЭП для исследования и диагностики гетероструктур InGaN/GaN и эпитаксиальных слоёв GaN, выращенных в разных технологических условиях.
Научная новизна работы
1. Обнаружен переход спонтанного излучения InGaN-КЯ и слоёв GaN в сверхлинейный режим в гетероструктурах с плотностью дислокаций
~ 107 – 108 см-2, не имеющих искусственно созданных зеркал обратной связи, при достижении порогового значения плотности энергии СЭП, величина которого индивидуальна для каждого образца и варьируется в пределах Н = 0,1 ? 0,2 Дж/см2 при Т = 300 К.
2. Обнаружена жёлто-зелёная полоса в спектрах ФЛ синих светодиодных гетероструктур InGaN/GaN, которая имеет одинаковое положение максимума (2,25 эВ) в образцах с различным дизайном активной области InGaN/GaN, а положение максимума её полосы возбуждения совпадает с максимумом спонтанной КЛ слоёв GaN (3,36 – 3,37 эВ), что дает основания предполагать о связи жёлто-зелёной полосы с излучательной рекомбинацией в дефектах, присутствующих в слоях GaN. Для жёлто-зелёной люминесценции исследуемых гетероструктур сформирована схема энергетических переходов.
3. Установлена величина плотности дислокаций в эпитаксиальных слоях GaN ~ 8·108 см-2, ниже которой наблюдается резкое (близкое к линейному) увеличение интенсивности экситонной полосы КЛ и ФЛ слоёв GaN, а выше которой наблюдается существенное снижение порога инициирования радиационно-стимулированного электрического пробоя и хрупкого раскола в данных материалах.
4. Установлены два механизма формирования разрушений в гетероструктурах InGaN/GaN под действием СЭП – электроразрядный и термоупругий. Первый реализуется при многократном импульсном облучении образцов СЭП с плотностью энергии Н ? 0,15 ? 0,30 Дж/см2, второй – при однократном импульсном облучении с Н ? 0,6 Дж/см2.
5. На основе анализа закономерностей и особенностей разрушения гетероструктур InGaN/GaN различной предыстории установлено, что микроразрушения, индуцированные в гетероструктурах под действием СЭП, формируются в местах локализации электрических микронеоднородностей технологического происхождения, что легло в основу запатентованного способа диагностики электрических микронеоднородностей [10] в данных материалах.
6. Обнаружено, что микроразрушения, образовавшиеся в гетероструктурах InGaN/GaN под действием СЭП, проявляются в виде тёмных точек и линий на фоне спонтанной люминесценции InGaN-КЯ и могут выступать в роли пассивных оптических элементов, которые перераспределяют стимулированное излучение InGaN-КЯ в пространстве.
Теоретическая значимость работы
Результаты диссертационной работы вносят вклад в фундаментальные исследования процессов излучения в тонкоплёночных гетероструктурах с квантоворазмерной активной областью InGaN/GaN и формирования в них электронно-пучковых разрушений при облучении высокоэнергетическим СЭП наносекундной длительности. Установлен ряд закономерностей люминесценции гетероструктур InGaN/GaN, возбуждаемой СЭП. Сформированы схемы энергетических переходов, приводящих к формированию дефектной жёлто-зелёной люминесценции в гетероструктурах InGaN/GaN, выращенных в различных технологических условиях. Экспериментально обоснована применимость моделей электроразрядного и термоупругого механизмов разрушения гетероструктур InGaN/GaN и эпитаксиальных слоёв GaN при облучении СЭП.
Практическая значимость работы
В диссертационной работе показана возможность использования СЭП наносекундной длительности для люминесцентного контроля и диагностики гетероструктр на основе квантоворазмерных слоёв InGaN/GaN, главными преимуществами которого являются однородное возбуждение всех слоёв и получение информации о структуре как о сложной оптической системе, не вызывая появления новых полос в спектрах КЛ. Разработан способ диагностики электрических микронеоднородностей в гетероструктурах c различным дизайном активной области InGaN/GaN, позволяющий визуализировать пространственное распределение электрических микронеоднородностей при облучении гетероструктуры СЭП. Обнаружено, что микроразрушения, возникающие в гетероструктурах InGaN/GaN под действием СЭП, не изменяют спектральный состав люминесценции, а лишь перераспределяют стимулированное излучение квантовых ям InGaN/GaN в пространстве, что делает возможным применение данных электронно-пучковых разрушений в качестве пассивных оптических элементов.

Весь текст будет доступен после покупки

Глава 1. Обзор литературы и постановка задач диссертационной работы

Исследованию гетероструктур на основе квантоворазмерных слоёв InGaN посвящено не малое количество отечественных и зарубежных публикаций. Интерес к данным структурам определяется их востребованностью и перспективностью в оптоэлектронной технике [1, 2, 11]. Потенциал этих материалов огромен и до конца не раскрыт.
С момента создания первых образцов гетероструктур InGaN/GaN и до сегодняшнего дня главной технологической задачей является получение высококачественных структур с заданными свойствами. Её решение связано с целым рядом ключевых моментов: глубоким пониманием фундаментальных физических и химических процессов, протекающих в данных материалах при разных условиях, высоким уровнем развития производственного оборудования для выращивания структур, наличием эффективных методов диагностики гетероструктур на разных стадиях роста.
Среди методов исследования светоизлучающих гетероструктур с квантово-размерными слоями особое место занимают люминесцентные. В качестве источников возбуждения свечения данных материалов часто используются лазеры [12-16], стационарные пучки низкоэнергетических электронов [17-20], рентгеновское излучение [18, 19, 21]. Однако работы, в которых для разностороннего исследования гетероструктур на основе кантоворазмерной активной области InGaN/GaN применялся СЭП, автору не известны.
Цель данной главы – провести литературный обзор в области взаимодействия СЭП с полупроводниками и диэлектриками, проанализировать современное состояние экспериментальных и теоретических исследований люминесценции и деградации гетероструктур InGaN/GaN, выявить актуальные проблемы в данных областях исследования, на основе которых обозначить ключевые задачи диссертационной работы.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Туркин, А. Обзор развития технологии полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия (GaN) / А. Туркин // Полупроводниковая светотехника. – 2011. – № 6. – С. 6 9.
2. Razeghi, M. III-Nitride Optoelectronic Devices: From Ultraviolet Toward Terahertz / M. Razeghi // IEEE Photon. J. – 2011. – V. 3, N. 2. – P. 263-267.
3. Федоров, Ю. Широкозонные гетероструктуры (Al,Ga,In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн / Ю. Федоров // Электроника НТБ. – 2011. – № 2. – C. 92-107.
4. Вайсбурд, Д. И. Сильноточные электронные ускорители. Физика мощных радиационных воздействий / Д. И. Вайсбурд, Г. А. Месяц // Вестник АН СССР. – 1983. – № 1. – С. 62-70.
5. Ковальчук, Б. М. Сильноточный наносекундный ускоритель для исследования быстропротекающих процессов / Б. М. Ковальчук [и др.] // ПТЭ. – 1981. – № 4. – С. 15-18.
6. Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии // Отв. ред. Г. А. Месяц. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1983. – 168 с.
7. Корепанов, В. И. Применение сильноточных электронных пучков наносекундной длительности для контроля параметров твердых тел / В. И. Корепанов, В. М. Лисицын, В. И. Олешко // Изв. вузов. Физика. – 2000. – Т. 43, № 3. – С. 22 30.
8. Вайсбурд, Д. И. Наносекундная релаксация проводимости и спектры люминесценции ионных кристаллов при сверхплотном возбуждении мощным пучком электронов / Д. И. Вайсбурд [и др.] // Изв. АН СССР. Сер. физ. – 1974. – Т. 38, № 6. – С. 1281 1284.
9. Барденштейн, А. Л. Генерирование изгибных волн в твердом теле плотным электронным пучком наносекундной длительности / А. Л. Барденштейн, В. И. Быков, Д. И. Вайсбурд // Письма в ЖЭТФ. – 1995. – Т. 61, № 2. – С. 98 100.
10. Способ диагностики электрических микронеоднородностей в полупроводниковых гетероструктурах на основе InGaN/GaN : пат. 2606200 Рос. Федерация : МПК H 01 L 21/66 / Олешко В. И., Горина С. Г. – № 2015141417 ; заявл. 29.09.2015 ; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1.

Весь текст будет доступен после покупки