Влив температури нітридизації, величини поруватості підкладок GaAs на кристалографічні, оптичні (комбінаційне розсіювання світла) властивості гетероепітаксійних плівок GaN. Залежність між величиною поруватості підкладок і типом кристалічної гратки плівок.
Аннотация к работе
Іншою привабливістю GAAS є можливість отримувати тонкі поверхневі шари GAN за рахунок нітридизації (обробка у плазмі атомарного азоту), що зумовлює можливість вирощування кубічної модифікації GAN внаслідок зберігання кубічної структури підкладки при конвертації поверхневих шарів підкладок GAAS у GAN. В рамках дисертаційного дослідження визначено задачі, вирішення яких є необхідною умовою досягнення поставленої мети науково-дослідної роботи: Розробити математичну модель дифузії домішок азоту у GAAS та їх взаємодії з атомами підґратки мишяку за механізмом kick-out при конвертації поверхневих шарів підкладки GAAS у тонкі плівки GAN під час нітридизації. Визначити залежність між величиною поруватості підкладок GAAS та типом кристалічної гратки плівок GAN. В результаті комплексних теоретичних та експериментальних досліджень кристалографічних, морфологічних та оптичних властивостей напівпровідникових гетрероструктур GAN та GANXAS1-x, отриманих шляхом нітридизації підкладок GAAS вперше встановлено: На основі розробленої математичної моделі процесу конвертації поверхневих шарів GAAS у GAN при дифузії атомів азоту у підкладку GAAS за механізмом kick-out. визначено оптимальний діапазон температур (870-970 К) та час нітридизації (90 хв.) для ефективної конвертації поверхневих шарів підкладки GAAS у напівпровідникову сполуку GAN з мінімальною концентрацією мишяку. У спектрах фотолюмінесценції плівок GAN, отриманих на підкладках GAAS із поруватістю 30%, зареєстровано смугу із максимумом при 3.42 ЕВ, яку повязано із формуванням кристалітів гексагонального GAN у матриці кубічного GAN.Визначено шляхи реалізації високого потенціалу підкладки GAAS для отримання тонких плівок GAN. Отримано і досліджено плівки GAN гексагональної та кубічної орієнтації на поруватих підкладках GAAS на основі монокристалічного GAAS(111) та GAAS(001). До основних висновків та результатів проведеної науково-дослідної роботи можна віднести: Розроблена математична модель процесу конвертації поверхневих шарів GAAS у GAN на основі дифузії атомів азоту у GAAS за механізмом kick-out. Зясовано адекватність теоретично розрахованих та експериментальних визначених концентраційних профілів розподілу по глибіні атомів азоту та мишяку у тонкий плівці GANAS на підкладці GAAS. На основі аналізу математичної моделі визначено оптимальний діапазон температур обробки у атомарному азоті: 870-950 К.
Вывод
Досліджено властивості напівпровідникових сполук GAN и GANAS, отриманих шляхом нітридизації поруватих підкладок GAAS. Визначено шляхи реалізації високого потенціалу підкладки GAAS для отримання тонких плівок GAN. Отримано і досліджено плівки GAN гексагональної та кубічної орієнтації на поруватих підкладках GAAS на основі монокристалічного GAAS(111) та GAAS(001). До основних висновків та результатів проведеної науково-дослідної роботи можна віднести: Розроблена математична модель процесу конвертації поверхневих шарів GAAS у GAN на основі дифузії атомів азоту у GAAS за механізмом kick-out. Зясовано адекватність теоретично розрахованих та експериментальних визначених концентраційних профілів розподілу по глибіні атомів азоту та мишяку у тонкий плівці GANAS на підкладці GAAS.
На основі аналізу математичної моделі визначено оптимальний діапазон температур обробки у атомарному азоті: 870-950 К. Показано, що за температури, меншої за 800 К інтенсивність нітридизації недостатня для формування шарів сполуки GAN, внаслідок чого формується потрійна сполука GANAS із величиною параметра x до 0,92. Визначено, що за температур, вищих за 1000 К спостерігається значне погіршення морфології зразків внаслідок інтенсивної декомпозиції GAAS.
На основі досліджень фотолюмінесценції визначено можливість керування властивостями плівки GAN залежно від характеристик поруватого GAAS. Показано, що оптимальна величина поруватості підкладок GAAS у аспекті якості гетероепітаксійних плівок GAN складає 25%.
Показано можливість зміни енергетичного положення граничної люмінесценції сполуки GANXAS1-x від 2.63 ЕВ до 2.44 ЕВ при зміні величини концентрації мишяку від 1 до 10%. Доведено можливість керуванням концентрацій мишяку та азоту у сполуці GANAS шляхом оптимізації параметрів нітридизації.
Визначено залежність типу кристалічної ґратки плівок GAN від степені поруватості підкладки por-GAAS/GAAS(111). Показано, що використання підкладок GAAS із величиною поруватості 30% сприяє отриманню плівок GAN кубічної модифікації, що підтверджується наявністю характерного піку 3.42 ЕВ, який повязано із присутністю кристалітів гексагональної модифікації GAN у матриці кубічного GAN.
Встановлено позитивний вплив відпалення гетероепітаксійних плівок GAN у радикалах азоту на склад власних дефектів: визначено поліпшення стехіометрії у плівках GAN внаслідок зменшення концентрації точкових дефектів вакансій азоту та донорно-акцепторних пар.
Достовірність результатів підтверджується комплексністю проведених досліджень з використанням сучасних експериментальних методик та високим міжнародним рейтингом та імпакт-фактором наукових видань (Physic Status Solidy, Crystal Growth, Journal of Luminescence, Физика и техника полупроводников)
Список литературы
1.Котляревский М.Б., Сукач Г.А., Кидалов В.В., Ревенко А.С., Люминесценция слоев GAN, выращенных на подложках GAAS методом радикало-лучевой эпитаксии // Журнал прикладной спектроскопии. - 2000. - Т. 69, № 2. - С. 234-237
2.Кидалов В.В., Сукач Г.А., Ревенко А.С., Потапенко Е.П., Ультрафиолетовая люминесценция тонких пленок GAN, полученных методом радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии на пористых подложках GAAS(111) // Физика и техика полупроводников. - 2003. - Т. 37, № 11. - С. 1303-1304
3.Кидалов В.В., Сукач Г.А., Ревенко А.С., Структура и люминесценция пленок GAN, полученных методом радикало-лучевой эпитаксии на пористых подложках GAAS (111) // Журнал физической химии. - 2003. - Т. 77, № 10. - С. 1864-1866
4.Kidalov V.V., Sukach G.A., Revenko A.S., Potapenko E.P., Photoluminescent and structural properties of GAN thin films obtained by radical - beam hettering epitaxy on porous GAAS(001) // J. Lumin. - 2003.- Vol. 102-103. - P. 712-714
5.Сукач Г.О., Кідалов В.В., Ревенко А.С., Яценко Ю.І., Байда А.Д., Люмінесценція тонких плівок GAN:Mg, відпалених у плазмі азоту // Вісник Львівського Університету. - 2004. - Т. 37. - С. 83-87
6.Kidalov V.V., Sukach G. A., Revenko A.S., Bayda A.D., Properties of cubic GAN films obtained by nitridation of porous GAAS (001) // Phys. Stat. Sol. (a). - 2005. - Vol. 202, № 8. - P. 1668-1672.
7.Kidalov V.V., Beji L., Sukach G.A., Revenko A.S., Bayda A. D., Properties of GAN/por-GAAS structure obtained by nitridation of porous GAAS // PHOTOELECTRONICS. - 2006. - Vol. 15. - P.118-122
8.Сукач Г.О., Кідалов В.В., Ревенко А.С., Про один механізм конвертації поверхневих шарів GAAS у GAN у результаті нітридизації // Фізика і хімія твердого тіла. - 2006. - Т 6, № 4. - с. 561-565.
9.Сукач Г.О., Кідалов В.В., Ревенко А.С., "Підкладки для епітаксійного росту нітридів третьої групи" Монографія
10.Котляревский М.Б., В.В. Кидалов, Ревенко А.С., Люминесценция слоев GAN, выращенных на подложках GAAS методом радикало- лучевой геттерирующей эпитаксии // Международная конференция по люминесценции посвященная 110-летию со дня рождения академика.С. B. Вавилова (17 - 19 Октября, 2001 г.) - Москва: Физический институт им. П. Н. Лебедева Росийской академии наук, 2001. - С. 23.
11.Кідалов В.В.,Ревенко А.С., Радикало-променева геттеруюча епітаксія - новий метод у технології напівпровідникових матеріалів A3B5 // Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА - 2001 (18 - 18 травня, 2001 р.). - Львів: Львівський національний університет імені Івана Франка, 2001. - С. 137.
12.Kidalov V.V., Sukach G.A., Revenko A.S., Petukhov A.A., GAN thin films luminescence which have been growth by radical-ray epitaxy // Second international workshop - Nucleation and non - linear problems in first order phase thansitions- (1 - 5 July, 2002 ). - St. Petersburg: Institute of mechanical engineering problems of the Russian academy of science, 2002. - P. 67.
13.Кідалов В.В., Ревенко А.С., Петухов А.О., Байда А.Д., Панфилов Д.Є., Сукач Г.О. Термодинамічний і кінетичний аналіз власних дефектів у сполуках А3В5, отриманих методом радикало променевої епітаксії // Всеукраїнська конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА - 2002. - (22 - 24 Травня, 2002 р.). - Львів: Львівський національний університет імені Івана Франка, 2002. - С. 53 - 54. 2002.
14.Кідалов В.В., Ревенко А.С., Яценко Ю.І., Байда А.Д., Сукач Г.О., Пєтухов А.О., Фотолюмінесценція плівок GAN:Mg відпалених у радикалах азоту // Всеукраїнська конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА - 2002 (22 - 24 Травня, 2002 р.). - Львів: Львівський національний університет імені Івана Франка, 2002. - С. 54 - 55.
15.Kidalov V.V. , Sukach G.A., Petukhov A.O., Revenko A.S., Potapenko E.P., Photoluminescent properties of GAN thin films, obtained by the treatment of porous GAAS substrates in active nitrogen radical // International conference on luminescence and optical spectroscopy of condensed matter (24 - 29 August, 2002). - Budapest. - P. 116.
16.Кидалов В.В., Ревенко А.С., Сукач Г.А., Влияние морфологии пористой подложки GAAS на фотолюминесценцию пленок GAN, полученных методом радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии // Материалы 2 - ой Всероссийской конференции “Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы” (3 - 4 Февраля, 2003 г.). - Санкт Петербург: C - Петербургский государственный политехнический университет, 2003. - С. 75 - 76.
17.Kidalov V.V., Sukach G.A., Revenko A.S., Bajda A.D., Properties of Porous Arsenide of Gallium // 2004 Fall Meeting of Electrochemical society of Japan (ECSJ), Section G1 -Third International Sympsoium on Pits and Pores: Formation, Properties and Significance for Advanced Materials (3 - 8 October 2004). - Honolulu, Hawai, USA, 2004. - Abs №789
18.Kidalov V.V., Sukach G.A., Revenko A.S., Bayda A.D., Nitridation of porous GAAS (111) // The 5th International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes Semiconductors Physics Researh centry ISBLLED-2004 (15-19 March 2004). - Gyeongju, Korea, 2004. - Pa12 №1091
19.Kidalov V.V., Sukach G.A., Shvets A.Y., Revenko A.S., Bayda A.D., Porous GAAS as soft substrate for cubic GAN films // Materials of the 4-th International Conference -Porous semiconductors science and technology- (14-19 March, 2005) Cullera - Valencia, Spain: Technical University of Valencia (Spain), 2004. - P. 368 - 369.
20.Kidalov V.V., Sukach G.A., Revenko A.S., Model of the nitridation process of nanoporous GAAS surface // The fifth international conference on low dimensional structures and devise (12 - 17 December, 2004). - Cancyne Maiyna Riviera Mexico, 2004. - P. 368 - 369
21.Kidalov V.V. , Sukach G.A., Revenko A.S., Bayda A.D., Strain relaxation in zincblend GAN layers on porous GAAS (001) substrates // 2007 Fall Meeting of Electrochemical society of Japan - Section - Nanotechnology (May 15 - 20, 2005). - Guebec city, Canada, 2005. - Abs. №101
22.Kidalov V.V.,Revenko A.S., Simulation of Diffusion Process at Nitridation of GAAS substrate // 2007 Fall Meeting of Electrochemical society of Japan (ECSJ) - Section - Organic & biological Electrochemistry (May 15 - 20, 2005). - Guebec city, Canada, 2005. - Abs. №1405
23.Kidalov V.V., Sukach G.A., Beji L., Revenko A. S., Bayda A.D., Properties of Porous GAAS Substrate for III-N Epitaxy // 2008 Fall Meeting of Electrochemical society of Japan (ECSJ) Section L1 - Nitride and Wide Bandgap Semiconductors for Sensors, Photonics, and Electronics VI ( 16 - 21 October, 2005 p.). - Los Angeles, California, USA, Abs. №808.
24.Kidalov V.V., Beji L., Suckach G. A., Revenko A.S., Bayda A.D., Yatsenko Y., Raman spectroscopy and morphology investigation of porous GAAS // E-MRS Fall meeting. Section Interfacial processes and properties of advanced materials (5-9 September, 2005). - Warsaw, Poland, 2005. - P. 145.
25.Кидалов В.В., Сукач Г.А., Beji L., Ревенко А.С., Байда А.Д., Пористый GAAS как подложка для III-N эпитаксии // Материалы 4-ой Всероссийской конференции “Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы” (3-5 Июля, 2005) - Санкт Петербург: С-Петербургский государственный политехнический университет, - 2005. - С. 26 - 27