СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2015

СОБЫТИЯ 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2015 E c E g F p F n eU = F n – F p E v – – + + h ω h ω Г. Гриммайс и H. Кельманс получи- ли эффективную фотолюминесцен- цию GaN в широком спектральном диапазоне, используя различные активаторы [6]. Но в то время вырас- тить кристаллы GaN было очень труд- но, исследовались только неболь- шие порошковые образцы, а создать p-n -переход в таком материале техно- логически было невозможно. Первые кристаллы GaN были выра- щены в конце 1960-х годов мето- дом хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE) [6, 14]. Изучением технологии роста и легирования GaN с целью раз- работки синих светодиодов занима- лись ряд лабораторий в Соединённых Штатах, Японии и Европе [6, 15]. Воз- никшие проблемы казались непреодо- лимыми: шероховатость поверхности не контролировалась, большая концен- трация примесей переходных метал- лов загрязняла выращенный материал. Легирование p -области акцепторными примесями сопровождалось компенса- цией отрицательных ионов акцепторов положительными ионами водорода Н + . Роль водорода в то время ещё не была изучена. Ж.И. Панков, ведущий учёный в дан- ной области, писал, что, несмотря на значительный прогресс в изучении GaN, произошедший в те годы, мно- гое ещё только предстоит сделать [6]. Основными целями в технологии выращивания GaN, по его мнению, должны были быть синтез свободных монокристаллов, а также обеспечение эффективного легирования мелкими акцепторами для достижения высо- ких концентраций дырок в материа- ле p -типа. В 1970-х годах были разработа- ны новые методы выращивания кри- сталлов, а именно молекулярно-луче- вая эпитаксия (MBE) [6] и металло- органическая газофазная эпитаксия (MOVPE) [6]. Были предприняты уси- лия по выращиванию GaN этими мето- дами [6]. Исаму Акасаки начал изучать GaN в 1974 году, в то время он рабо- тал в Исследовательском центре ком- пании «Мацусита» в Токио. В 1981 году он занял должность профессора в уни- верситете г. Нагоя и продолжил иссле- дования GaN вместе с Хироси Ама- но и другими сотрудниками. Первые кристаллы GaN высокого качества и с хорошими оптическими характе- ристиками были получены ими мето- дом MOVPE в 1986 году [6, 15]. Про- рыв стал результатом целой серии экспериментов и наблюдений. Тон- кий (30 нм) слой из поликристалличе- ского AlN осадили на подложке из сап- фира при низкой температуре (500 ° C), а затем нагрели до температуры роста GaN (1000 ° C). В процессе нагрева слой приобретал текстуру мелких кристал- литов с определённой ориентацией, на которых можно было выращивать GaN. Плотность дислокаций растущего кри- сталла GaN вначале была высокой, но быстро уменьшалась после образова- ния слоя толщиной в несколько микро- метров. Исследователям удалось полу- чить слои с поверхностью высокого качества, что было важно для после- дующего выращивания тонких много- слойных структур. Кроме того, оказа- лось возможным растить слои n -GaN с существенно более низкой концен- трацией электронов. Сюдзи Накаму- ра, будучи сотрудником японской химической компании «Ничия Кеми- кал», позже разработал аналогичный метод, где AlN был заменён тонким сло- ем GaN, выращенным при низкой тем- пературе [15]. Одной из основных проблем для изготовления p-п -переходов была труд- ность с легированием p -GaN – нужно было создать контролируемый техно- логический процесс, обеспечивающий большую концентрацию дырок. На физическом факультете Москов- ского государственного университета им. М.В. Ломоносова в 1981–1982 годах группа Г.В. Сапарина и М.В. Чукичева показала, что в GaN возможна актива- ция акцепторов Zn электронным пуч- ком в растровом электронном микро- скопе. Исследователи использовали это для оптической записи информации с шириной линии менее 1 мкм [15–17]. В конце 1980-х годов Акасаки, Ама- но и их коллеги сделали важный даль- нейший шаг в этом направлении. Они продемонстрировали, что с помощью сканирующего электронного микро- скопа можно создать слой GaN с акти- вированными акцепторами Zn [6, 15]. Подобным же образом облучение элек- тронами приводило к улучшению излу- чающих свойств GaN, легированного акцепторами Mg [6, 15]. Это открытие стало важным прорывом на пути к соз- данию p-n -переходов в GaN. Объяснение эффекта электронно- го облучения было дано как в работах МГУ [16, 17], так и в статье Накамуры и его коллег [18]. Ионы акцепторов Mg – или Zn – , образуют комплексы с иона- ми водорода H + , материал становит- ся компенсированным. Иначе говоря, при легировании акцепторами дыр- ки не образуются. Подобный эффект нейтрализации примесей водородом был известен из работ группы Панко- ва по другим материалам [6, 15]. Дей- ствие электронного пучка, нагреваю- щего GaN:Mg до температур выше 400 ° С, разделяет комплексыMg-Н и активиру- ет акцепторы. Накамура показал, что термическая обработка – отжиг в атмо- сфере азота N 2 – тоже приводит к акти- вации акцепторов Mg. Важнейшим шагом в разработке эффективных синих светодиодов было создание технологии выращивания и легирование p -типа твёрдых раство- ров на основе нитридов, AlGaN и InGaN, которые необходимы для получения гетероструктур. Такие гетерострукту- ры были созданы в начале 1990-х годов исследовательскими группами Акасаки и Накамуры [6, 15]. На рисунке 1 показана энергети- ческая диаграмма двойной гетеро- структуры с p-n -переходом p-GaN/ In x Ga 1–x N/ n -GaN при прямом токе. Дырки из p-области инжектируются в область In x Ga 1–x N с меньшей шириной запрещённой зоны и встречают потен- циальный барьер, ограничивающий их инжекцию в n -область. В свою оче- редь, электроны из n -области инжек- тируются в область In x Ga 1–x N и встре- чают потенциальный барьер, ограни- чивающий их инжекцию в p -область (см. рис. 2). Толщина потенциальной ямы d может быть сделана очень малой, срав- Рис. 1. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного ( p-n -) перехода при приложении потенциала eU в прямом направлении. Стрелками показана инжекция электронов и дырок при прямом токе через переход и их последующая рекомбинация с излучением квантов света ћ ω . Здесь E v – потолок валентной зоны, E c – дно зоны проводимости, F p и F n – квазиуровни Ферми для дырок и электронов, соответственно. E g – ширина запрещённой зоны