Рост слоев и структур нитридов III группы эпитаксией из металлорганических соединений в Физико-Техническом институте.

А.С. Усиков*, В.В. Лундин, А.В. Сахаров, Н.М. Шмидт
Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН,
Россия, Санкт-Петербург, 194021 Политехническая ул., д.26.

Бурное развитие во всем мире за последние 8-10 лет технологии изготовления и физических исследований многослойных структур нитридов III группы (In,Ga,Al)N главным образом обусловлено возможностью создания лазеров и светодиодов, работающих в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра.

К настоящему времени уже промышленно выпускаются эффективные зеленые и синие светодиоды. Лидерами в этом направлении являются фирмы Nichia (Япония), Cree (США), Toyoda Gosei (Япония), Hewlett Packard (США), Emcore-Uniroyal (США), Siemens Infineon (Германия), Samsung (Корея). Фирма Nichia объявила о начале промышленного выпуска фиолетовых инжекционных лазеров, работающие на длине волны 410 нм при комнатной температуре в непрерывном режиме со сроком службы более 10000 час. Согласно публикациям в иностранных журналах во всем мире объем продаж нитридных материалов, структур и приборов в 2000 г. достигнет 990 млн. долларов, а в 2005 г. - до 3 млрд долларов.

В России работы по нитридам III группы наиболее интенсивно ведутся в научных группах, работающих в кооперации с зарубежными партнерами из Японии, Германии, США, Франции. Ряд результатов, полученных в российских исследовательских группах, имеют мировое приоритетное значение.

В Физико-техническом институте работы по получению нитридов III групы эпитаксией из металлорганических соединений начались с 1995 года. К настоящему времени имеется установка “Epiquip”, переоборудованная для роста нитридов, проведено более 930 эпитаксиальных процессов –по 150-200 процессов в год. Выращивание структур осуществляется на (0001) сапфировых подложках, в горизонтальном реакторе с индуктивным нагревом, в токе водорода или аргона, при пониженном давлении 200 – 600 мбар. Держатель рассчитан на одну подложку диаметром до 52 мм. Аммиак, триметилгаллий (ТМГ), триметилалюминий (ТМА) и триметилиндий (ТМИ) служат исходными компонентами. Бис-цикопентадиенил магния (Ср2Mg) и силан использовались для легирования. Непосредственный контроль над процессом роста эпитаксиальных слоев осуществляется с помощью системы лазерной рефлектометрии. Газовая система установки позволяет производить рост слоев в атмосфере особо чистого водорода, аргона или их смеси. Все расходные материалы российского производства.

При росте на сапфировых подложках применяется так называемый двухстадийный режим роста. Первоначально на подложке при температуре 530-570°С осаждается тонкий зародышевый слой толщиной около 30 нм. В качестве зародышевого слоя используется либо GaN, либо GaN с добавлением Al. После отжига зародышевого слоя при температуре около 1000°С, происходит последующий эпитаксиальный рост всей структуры.

Рост совершенных слоев GaN и AlGaN (x?0.3) происходит при, температуре около1050°C в атмосфере водорода. Типичная скорость роста 1,8-2,2 мкм/час. Слои InGaN требуют заметно более низкой температуры роста (700-900°С) и выращиваются в атмосфере аргона.

Многослойные структуры GaN/AlGaN выращиваются изменением во времени мольных потоков ТМГ и ТМА. Многослойные структуры GaN/InGaN выращиваются при изменении температуры (термоциклирование) подложки в диапазоне 700–950°С. Подобные структуры используются в качестве материала активной области для излучателей в видимом спектральном диапазоне.

Особенности роста слоев и многослойных структур нитридов III группы, их оптические, электрические и структурные свойства обсуждаются в других докладах, представленных на этом совещании.

Фазовая сепарация и эффекты самоорганизации, которые присущи твердым растворам InGaN, приводят к образованию наноразмерных доменов обогащенных по индию. Для таких струкутр было продемонстрировано получение сверхбольшого коэффициента усиления (на уровне 105 см-1), что сделало возможным получение лазерной генерации с поверхности при оптической накачке при комнатной температуре. Активная область состояла из 12 слоев InGaN, разделенных слоями GaN. В качестве нижнего зеркала использовался брэгговский отражатель на основе многослойной структуры GaN/AlGaN, в качестве верхнего зеркала использовалась граница GaN- воздух. В настоящее время ведется работа по созданию поверхностно-излучающих лазеров с инжекционной накачкой.

В инжекционных светодиодных структурах GaN/InGaN/AlGaN достигуты значение внешнего квантового выхода 2-3% на длине волны 440 нм на образце с неразрезанными чипами.

Для смещения излучения в желто-зеленую область спектра проводятся исследования по выращиванию гетероструктур на основе GaN с добавкой As. В качестве источника As используется арсин. В структуре с активной областью на основе GaAsN наблюдалось излучение на длине волны 500 нм при оптической накачке.

Нелегированные и слаболегированные кремнием слои GaN и AlGaN (x~0.1) использовались для изготовления фотодетекторов типа металл-полупроводник-металл и с барьером Шоттки. Абсолютная чувствительность этих фотодетекторов в области длин волн 330 нм составила 50 мА/Вт и 100 мА/Вт соответственно. Темновой ток на фотодиодах с барьером Шоттки при диаметре мезы 600 мкм составил 5 нА при смещении -1В.

В сотрудничестве с другими лабораториями ФТИ были проведены ряд экспериментов по выращиванию слоев на подложках свободного GaN. Получены p-n структуры. Кроме этого проводились эксперименты по селективной эпитаксии GaN на подложках с маскирующим покрытием.

Таким образом, в Физико-техническом институте в настоящее время имеется наобходимый набор ростового и постростового оборудования, исследовательских методик позволяющих разрабатывать технологию получения и исследовать свойства различных типов структур и приборов на основе нитридов III группы.