Научная статья на тему 'МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ГЕТЕРОСТРУКТУР ALGAN/GAN/INGAN/GAN'

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ГЕТЕРОСТРУКТУР ALGAN/GAN/INGAN/GAN Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
48
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НИТРИДЫ / ТРАНЗИСТОРЫ / ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ / МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Вигдорович Евгений Наумович

Электрофизические свойства кремния ограничивают его применение для оптоэлектронных элементов и приборов СВЧ-техники. В этой области материалы с большей шириной запрещенной зоны, в частности GaN, AlN, InN и твердые растворы на их основе, значительно превосходят кремний. В результате появляется возможность изготовления устройств с высокой эффективностью, например светодиодов и фотоприемников, которые могут работать в широкой области спектра излучения. Кроме того, материалы на основе GaN успешно используются для создания мощных СВЧ-приборов, таких как транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), работающие при высоких температурах. Рассмотрены технологические особенности формирования активных слоев в гетероструктурах AlGaN/GaN/InGaN/GaN с использованием металлоорганических соединений. В качестве исходных веществ применялись особо чистый аммиак NH3 и металлоорганические соединения галлия, алюминия и индия в триметильной форме. Исследована температурная зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев GaN. Показано, что данная зависимость незначительная в широком интервале температур. Подтверждено важное значение адсорбционных процессов на поверхности роста. Для моделирования процесса и определения условий формирования состава твердых растворов на основе GaN проведен термодинамический анализ закономерностей при реализации изучаемого процесса. Установлено, что при формировании твердых растворов Ga1-xInxN в области высоких температур не удается получить содержание InN больше 0,4 мольных долей, при снижении температуры роста до 600 °С заметно улучшаются условия вхождения In в твердый раствор и концентрация InN увеличивается до 0,9 мольных долей. Выяснено, что при выращивании твердых растворов GaAlN в широком диапазоне температур можно получать твердые растворы с содержанием AlN от 0,1 до 0,9 мольных долей. Экспериментальные исследования подтвердили расчеты. Поэтому при выращивании слоев квантовых ям Ga1-xInxN в активной области гетероструктур для промышленных чипов синих светодиодов с содержанием индия х = 0,1...0,15 необходимо снижать температуру роста. Однако при низких температурах возникают трудности с ростом эпитаксиальных слоев высокого кристаллического качества.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Вигдорович Евгений Наумович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MECHANISM OF FORMING OF QUANTUM-SIZE LAYERS OF ALGAN/GAN/INGAN/GAN LAYERS

The electro-physical properties of silicon limit its application for optoelectronic elements and for microwave technology devices. In this case silicon is replaced by the material with higher band gap. These materials include the nitrides of the III-group elements, in particular, GaN, AlN, InN and solid solutions based on them. As a result, it becomes possible to manufacture devices with the high efficiency, for example, the light diodes and photoreceivers, capable to operate in a very broad radiation spectrum. Besides, the materials based on GaN are successfully used for creation of powerful microwave devices, such as the transistors with high electron mobility (YEMT) operating at high temperatures. Some technological features of formation of the active layers in heterostructures of AlGaN/GaN/InGaN/GaN MOS using the metal organic compounds have been considered. As the initial substances the high-purity ammonia (NH3) and organometallic compounds of gallium, aluminum and indium (MOC Ga, MOC A1 and Mosp) in trimethylene form have been used. The temperature dependence of the growth rate has been investigated in a wide temperature range, which has shown the critical role of the absorption processes on the surface of the growth. To simulate the process and to determine the conditions of forming the composition of solid solutions based on GaN the thermodynamic analysis of patterns in the implementation of the process under study has been performed. It has been found that while obtaining solid solutions in the high temperature range the InN content in them exceeds 0.4 mole frac. and while reducing the growth temperature to 600 °C the conditions of In occurrence in the solid solution are significantly improved and the concentration increases up to 0.9 mole.frac. It has been shown that while growing the GaAlN solid solutions in the wide temperature range it is possible to obtain solid solutions with AlN content from 0.1 to 0.9 mole frac. The experimental studies have confirmed the calculations. Therefore, when growing layers of Ga1-xInxN quantum wells in the active region of heterostructures for industrial chips of blue LEDs with the indium content x = 0.1 - 0.15 it is necessary to reduce the growth temperature. However, at low temperatures some difficulties with the growth of the epitaxial layers, having high crystalline quality, arise.

Текст научной работы на тему «МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ГЕТЕРОСТРУКТУР ALGAN/GAN/INGAN/GAN»

УДК 621.315.592

DOI: 10.24151/1561-5405-2017-22-4-322-330

Механизм формирования квантово-размерных слоев гетероструктур AlGaN/GaN/InGaN/GaN

Е.Н. Вигдорович

Физико-технологический институт Московского технологического университета, г.Москва, Россия

evgvig@mail. ru

Электрофизические свойства кремния ограничивают его применение для оптоэлектронных элементов и приборов СВЧ-техники. В этой области материалы с большей шириной запрещенной зоны, в частности GaN, AlN, InN и твердые растворы на их основе, значительно превосходят кремний. В результате появляется возможность изготовления устройств с высокой эффективностью, например светодиодов и фотоприемников, которые могут работать в широкой области спектра излучения. Кроме того, материалы на основе GaN успешно используются для создания мощных СВЧ-приборов, таких как транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), работающие при высоких температурах.

Рассмотрены технологические особенности формирования активных слоев в гетероструктурах AlGaN/GaN/InGaN/GaN с использованием ме-таллоорганических соединений. В качестве исходных веществ применялись особо чистый аммиак NH3 и металлоорганические соединения галлия, алюминия и индия в триметильной форме. Исследована температурная зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев GaN. Показано, что данная зависимость незначительная в широком интервале температур. Подтверждено важное значение адсорбционных процессов на поверхности роста. Для моделирования процесса и определения условий формирования состава твердых растворов на основе GaN проведен термодинамический анализ закономерностей при реализации изучаемого процесса. Установлено, что при формировании твердых растворов Ga1-xInxN в области высоких температур не удается получить содержание InN больше 0,4 мольных долей, при снижении температуры роста до 600 °С заметно улучшаются условия вхождения In в твердый раствор и концентрация InN увеличивается до 0,9 мольных долей. Выяснено, что при выращивании твердых растворов GaAlN в широком диапазоне температур можно получать твердые растворы с содержанием AlN от 0,1 до 0,9 мольных долей.

Экспериментальные исследования подтвердили расчеты. Поэтому при выращивании слоев квантовых ям Ga1-xInxN в активной области гетерост-руктур для промышленных чипов синих светодиодов с содержанием индия х = 0,1...0,15 необходимо снижать температуру роста. Однако при низких температурах возникают трудности с ростом эпитаксиальных слоев высокого кристаллического качества.

Ключевые слова: нитриды; светодиоды; транзисторы; гетероструктуры; металлоорганические соединения.

© Е.Н. Вигдорович, 2017

Для цитирования: Вигдорович Е.Н. Механизм формирования квантово-размерных слоев гетероструктур AlGaN/GaN/InGaN/GaN // Изв. вузов. Электроника. -2017. - Т. 22. - № 4. - С. 322-330. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-322-330

Mechanism of Forming of Quantum-Size Layers of AlGaN/GaN/InGaN/GaN Layers

E.N. Vigdorovich

Physics and Technology Institute of Moscow Technological University, Moscow, Russia

evgvig@mail.ru

The electro-physical properties of silicon limit its application for optoelectronic elements and for microwave technology devices. In this case silicon is replaced by the material with higher band gap. These materials include the nitrides of the III-group elements, in particular, GaN, AlN, InN and solid solutions based on them. As a result, it becomes possible to manufacture devices with the high efficiency, for example, the light diodes and photoreceivers, capable to operate in a very broad radiation spectrum. Besides, the materials based on GaN are successfully used for creation of powerful microwave devices, such as the transistors with high electron mobility (YEMT) operating at high temperatures.

Some technological features of formation of the active layers in heterostructures of AlGaN/GaN/InGaN/GaN MOS using the metal organic compounds have been considered. As the initial substances the high-purity ammonia (NH3) and organometallic compounds of gallium, aluminum and indium (MOC Ga, MOC A1 and Mosp) in trimethylene form have been used. The temperature dependence of the growth rate has been investigated in a wide temperature range, which has shown the critical role of the absorption processes on the surface of the growth. To simulate the process and to determine the conditions of forming the composition of solid solutions based on GaN the thermodynamic analysis of patterns in the implementation of the process under study has been performed. It has been found that while obtaining solid solutions in the high temperature range the InN content in them exceeds 0.4 mole frac. and while reducing the growth temperature to 600 °C the conditions of In occurrence in the solid solution are significantly improved and the concentration increases up to 0.9 mole.frac. It has been shown that while growing the GaAlN solid solutions in the wide temperature range it is possible to obtain solid solutions with AlN content from 0.1 to 0.9 mole frac.

The experimental studies have confirmed the calculations. Therefore, when growing layers of Gai-xInxN quantum wells in the active region of heterostructures for industrial chips of blue LEDs with the indium content x = 0.1 - 0.15 it is necessary to reduce the growth temperature. However, at low temperatures some difficulties with the growth of the epitaxial layers, having high crystalline quality, arise.

Keywords: nitrides; light emitting diodes; transistors; heterostructures; metalorganic compounds.

For citation: Vigdorovich E.N. Mechanism of Forming of Quantum-Size Layers of AlGaN/GaN/InGaN/GaN Layers // Proc. of Universities. Electronics. - 2017. -Vol. 22. - No. 4. - P. 322-330. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-322-330

Введение. Особенность электрофизических свойств кремния ограничивает его применение для оптоэлектронных элементов и приборов СВЧ-техники. В этой области уже используются полупроводниковые соединения АШВ'У (GaAs, AlAs, МР, GaP и их твердые растворы). Однако они не позволяют решать задачи по созданию приборов высокой мощности, работающих на высоких частотах в условиях высокой температуры, и приборов, генерирующих фотоны высоких энергий. Эти проблемы решаются при использовании нитридов элементов III группы таблицы Менделеева, в частности GaN, АШ, 1п^ Твердые растворы на их основе [1-6] позволяют непрерывно изменять ширину запрещенной зоны от 6,2 эВ (АШ) до 3,4 эВ ^аЫ) и до 1,9 эВ (МЫ). Данные особенности нитридов элементов III группы обусловливают возможность изготовления устройств с высокой эффективностью, например светодиодов и фотоприемников, которые могут работать в очень широкой области спектра излучения. Кроме того, материалы на основе GaN успешно используются для создания мощных СВЧ-приборов, работающих при высоких температурах, например транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ).

Решающим фактором для широких исследований твердых растворов на основе нитридов элементов III группы стало создание новых методов их получения - молеку-лярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии с применением металлоорганических соединений (МОС-гидридная эпитаксия) [9].

В настоящей работе исследовались технологические особенности формирования активных слоев в гетероструктурах AlGaN/GaN/InGaN/GaN методом МОС-гидридной эпитаксии. Исследования проводились на установке 0-180 (УЕЕСО). В качестве исходных веществ использовались особо чистый аммиак КН3 и металлоорганические соединения галлия, алюминия и индия (МОС Ga, МОС А1 и МОС М) в триметильной форме.

Механизм кристаллизации слоев Оа^ Для выяснения механизма кристаллизации слоев GaN методом МОС-гидридной эпитаксии исследовалась температурная зависимость их скорости роста при различных расходах аммиака (рис.1 ). Анализ полу-

Расхо, з аммиа ка 1 л/м 1,5 ин

0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 Температура, 1000/У, К

Рис. 1. Зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев GaN от температуры при разном расходе аммиака (скорость вхождения МОС Ga равна 20 мкмоль/мин) Fig. 1. The dependence of the rate of growth of epitaxial GaN layers on temperature at different costs of ammonia (MOVPE Ga - 20 ^mol/min)

ченной температурной зависимости скорости роста позволяет сделать некоторые заключения о механизме кристаллизации. В отличие от хлоридного и хлоридно-гидридного процессов, в которых четко наблюдаются две области - кинетическая (лимитирующей стадией является гетерогенная реакция на поверхности растущего слоя) и диффузионная (определяющей стадией является массоперенос в газовой фазе), в рассматриваемом случае зависимость скорости роста от температуры в широком интервале температур незначительная. Из рисунка видно, что при разном расходе аммиака зависимость имеет различный характер.

Таким образом, можно говорить о решающей роли адсорбционных процессов на поверхности кристаллизации. При невысоких расходах аммиака (до 1 л/мин) или низких соотношениях элементов AV/Bin при повышении температуры скорость роста уменьшается. Это может быть связано со снижением на поверхности концентрации адсорбированных молекул элемента iii группы, которая и лимитирует скорость роста слоев. При избытке аммиака (1-2 л/мин) наблюдается незначительное увеличение скорости роста при повышении температуры. Это объясняется или хемосорбцией элементов V группы, или гетерогенным разложением аммиака на поверхности кристаллизации. Дальнейшее увеличение расхода аммиака (более 2 л/мин) приводит к снижению скорости роста, что, вероятнее всего, связано с блокировкой центров сорбции на поверхности и снижением концентрации.

Термодинамика формирования состава твердых растворов на основе GaN. Для моделирования процесса и определения условий оптимизации формирования состава твердых растворов на основе GaN необходимы данные по физико-химическим закономерностям при их реализации. Методика физико-химического анализа для газофазного синтеза разрабатывается и используется уже много лет для GaAsP, InGaAsP и других многокомпонентных твердых растворов на основе AIIIBV. В последние годы ее активно применяют для термодинамического анализа систем на основе GaN, AlN, InN [7-11].

При образовании в конденсированной фазе химического соединения в системе, содержащей е элементов в газовой и конденсированной фазах, число независимых уравнений материального баланса r, задающих состав этого соединения, можно рассчитать по уравнению r = и - e. Здесь и - число компонентов, образуемых этими элементами, e - число сортов атомов. Если в конденсированной фазе находится один компонент, то коэффициент активности его равен единице и уравнение для коэффициента активности не записывается. При образовании в конденсированной фазе твердого раствора двух полупроводниковых соединений, имеющих общий катион или анион (А1В)1-Х(А2В)Х, необходимо записать два уравнения материального баланса для конденсирующихся сортов атомов. Первым уравнением задается молярная доля х элемента А в катионной части твердого раствора, вторым - атомная доля элемента В в твердом растворе, равная 0,5. Так как в конденсированной фазе находятся два компонента, необходимо записать два уравнения для расчета коэффициентов активности.

Процесс эпитаксиального наращивания твердых растворов на основе GaN, например для Ga1-xInxN, можно записать в следующем виде:

Ga(CH3)3 + 3/2H2 = Ga(0 + ЗСН4, In(cH3)3 + 3/2Н2 = Ь(г) + 3СН4, Ga(^ + NH3 = GaN +3/2Н2, ь(г) + NH3 = InN +3/2Н2.

В связи с тем что аммиак чрезвычайно устойчивое соединение в исследуемой области температур, реакцию его разложения не учитывали.

Для рассматриваемого случая имеем пять сортов атомов е (Оа, С, Н, К, 1п) и девять компонентов и (Оа(СИз)з, КН3, ОаК, СН4, 1п(СИз)з, 1пК, Оа, 1п, Н2). Следовательно, число независимых реакций г = 4.

Для изучаемых реакций составим уравнения закона действующих масс:

„ 1Оа • ^СЩ „ Рщ • Рс:н4 аОаЫ • а¡пЫ • Рщ

Л| --^г, к 2 ---—, К 3 --, К 4 --

1 р р3/2 2 р р3/2 3 р р 4 р , р

1 \ЛПГ 1 и -»МОГ Т п • • ^хти 1 Тп 1 м

мое Оа Н2 1 МОС 1п 1 н2 1 Оа 1 ЫН3 ¡п ^ ЫН3

где а, = х^у; - активность компонента в твердой фазе; х,, у,- - мольная доля и коэффициент активности компонента в твердой фазе соответственно.

Константы равновесия для химических реакций определяются по уравнению изотермы Вант-Гоффа: АО = -ЯТ 1п К,.

Так как неизвестных больше, чем уравнений закона действующих масс, запишем дополнительно уравнения материального баланса:

-^МмОСОа + -^МоСТп + ^Н, + + 1СН, + 1Оа + 11п — 1

(PмюеIп PмоеIп ^¡п)

(PMЮеIп -^Моеы 11п) + (^МЮСОа ^ОСОа 1Оа)

_(110Нз - 1>МНз)_ = 05

(1>10Н3 - ) + (^моС 1п - Pмое 1п - 11п ) + (Pмое Оа - Pмое Оа - 1Оа )

— 1КН3 — ^ PMOC — ^ PMOC ,

здесь 10 и Рг - исходные и равновесные парциальные давления пара компонентов.

Коэффициенты активности выразим в соответствии с теорией регулярных растворов:

У ОаЫ - еХР

í 2 \ х а

V КТ J

У 1пМ - ехР

- х 2 а ^ V РТ J

где а - параметр смешения для данной системы.

В результате получена и решена система из восьми уравнений с восемью неизвестными. Аналогичная система получена и для твердых растворов Оа1-ХА1ХК. Для этих систем наибольший интерес представляет определение влияния технологических параметров МОС-гидридного процесса на состав получаемых твердых растворов. Расчет проводился на основе наиболее надежных термодинамических данных [5]. При расчете коэффициента активности компонентов твердого раствора использовались полученные значения параметра смешения, которые для 1пК-ОаК и АШ-ОаК равны 17601 и 3741 Дж/моль соответственно.

На рис.2 и 3 приведены расчетные зависимости состава твердой фазы от состава газовой фазы при МОС-гидридной эпитаксии твердых растворов на основе нитрида галлия при разной температуре.

Экспериментальное исследование формирования состава твердых растворов. Как показывает термодинамический анализ, зависимости состава твердых растворов Оа1-Х1п ХК и Оа1-ХА1ХК от состава газовой фазы имеют отличительные особенности, что определяется физико-химическими свойствами участвующих в процессе эпитаксии ве-

ществ. Исследовалось влияние температуры эпитаксии на состав твердых растворов Ga1-xIn ^ и Ga1-xAlxN при различных концентрациях 1и и Al в газовой фазе, которая задавалась соотношением МОС 1и (MOC Ga + MOC ¡и) и МOC Л! (MOC Ga + MOC Л!) в газовой фазе при МОС-гидридной эпитаксии. При этом суммарное количество МОС в газовой фазе оставалось постоянным. На рис.4 и 5 приведены полученные в результате экспериментальных исследований зависимости.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 -vMOC А1

Рис.2. Зависимость состава твердого раствора Gai_xAlxN от содержания МОС Al в газовой

фазе при разной температуре Fig.2. Based on the composition of the solid solution Ga1-X AlxN the concentration of MOVPE Al in the gas phase at different temperatures

§ ч

$

1

0,9

0,8 0,7 0,6

0,5 0,4

о

0,2

0,1

С In = 0,9

X 0,7

\ 0,5

О 600

700 800 900 Температура, °С

1000

Рис.3. Зависимость состава катионной подре-шетки твердого раствора Gai_xInxN от содержания MOC In в газовой фазе при разной

температуре Fig.3. Based on the composition of the cationic sublattice solid solution Gai_xInxN the concentration of

MOVPE In in the gas phase for various temperature

О

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

*мос А, = 0,9

0.5

0,2

0,1

0 600

700 800 Температура, °C

900

1000

Рис.4. Зависимость состава твердого раствора GaiJnN от температуры при разном содержании

МОС In в газовой фазе Fig.4. The change in composition of the GaJnN solid solution on temperature with different concentration MOVPE In in the gas phase

Рис.5. Зависимость состава твердого раствора Ga^Al^N от температуры при разном содержании

МОС Al в газовой фазе Fig.5. The effect of temperature on the composition of the solid solution of Ga^A^N with different concentration MOVPE Al in the gas phase

Состав твердых растворов Ga1-xЛlxN зависит от ростовых условий. Механизм пиролиза компонентов реакции в газовой фазе широко изучен. Обнаружено, что возникновение паразитных реакций в газовой фазе существенно влияет на кристаллическое качество слоев. Одним из эффективных способов решения данной проблемы может быть уменьшение давления в реакторе, что сокращает вероятность нежелательных взаимодействий в газовой фазе. Для создания резких границ между слоями гетерост-руктуры потребовалось бы быстро изменять давление, но это практически невозможно для реакторов промышленного типа. Поэтому для увеличения вхождения Al в слой следует снижать скорость роста, уменьшая расход MOC Ga. Зависимость вхождения Al при изменении отношения расхода MOC Al к сумме расходов всех алкилов имеет прямолинейный характер при рабочем давлении в реакторе 200 мм рт. ст. и температуре роста 1020 °С. На рис.6 представлена зависимость содержания Al в растущих слоях Gal-xAlxN от расхода MOC Ga (MOC Ga/(MOC Ga + MOC Л!)).

При росте слоев Ga1-xInxN имеет место иной механизм, препятствующий формированию твердого раствора с большим содержанием 1п (рис.7). В отличие от МОС Л1 и МОС Ga, МОС 1п не образует побочных продуктов реакции, но имеет тенденцию легко

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

о

0,3

0,2

а 2 Я s

0,1

о

Расход МОС In

1 1 1

0,8 0,9

Расход МОС Ga

Рис.6. Влияние потока МОС Ga на содержание Al в слое Gai_xAlxN Fig.6. The effect of MOVPE Ga flow on the Al content in Ga1-xAlxN layer

500 600 700 800

Температура, °C

900

Рис. 7. Зависимость содержания In в слоях Ga1-xInxN от температуры при разном расходе

МОС In (МОС In/( МОС In + МОС Ga)) Fig. 7. The dependence of the In content in Ga1-xInxN layers of flow and temperature MOVPE In (МОС In/( МОС In + МОС Ga))

распадаться с формированием большого количества атомов 1п в газовой фазе.

Если наступает пересыщение 1п в газовой фазе, то образуемые в ней частицы 1п уносятся из зоны роста вместе с газом-носителем, не успевая адсорбироваться на поверхности растущего слоя. Такое поведение приводит к потерям МОС 1п. Этот эффект усугубляется еще и тем, что при высоких температурах происходит десорбция атомов индия с поверхности. Это также препятствует получению слоев Ga1-xInxN с большим содержанием 1п.

Частично увеличение вхождения 1п удается достичь повышением расхода МОС 1п, но этот подход неэффективен. Поэтому приемлемым способом увеличения содержания индия в слоях Ga1-xInxN является снижение температуры их выращивания.

Заключение. Как показал термодинамический анализ и эксперименты, при формировании твердых растворов Ga1-xInxN в области высоких температурах не удается получить содержание InN больше 0,4 мольных долей. При снижении температуры роста

до 600° С заметно улучшаются условия вхождения In в твердый раствор и содержание InN увеличивается до 0,9 мольных долей. При выращивании твердых растворов Ga1-x AlxN в широком диапазоне температур можно получать твердые растворы с содержанием AlN от 0,1 до 0,9 мольных долей. Полученные результаты позволяют предложить следующие рекомендации: при выращивании слоев твердых растворов Ga^In^N управлять составом твердых растворов путем изменения температуры, а при выращивании Ga^A^N - путем изменения состава газовой фазы на входе в реактор.

Эффективность вхождения Al в слои Ga1-xAlxN имеет неоднозначную зависимость. Так, увеличение потоков аммиака и MOC Al не приводит к пропорциональному увеличению содержания Al. Кроме того, изменение потока MOC Al менее эффективно для контроля состава твердых растворов по сравнению с изменением MOC Ga. Такое поведение связано с существованием паразитных реакций между аммиаком и MOC Al в газовой фазе. Механизм, способствующий протеканию химических реакций, описан в [9]. Содержание MOC Al в газовой фазе быстро падает после ввода в реактор из-за возникновения побочного продукта реакции - MOC Al:NH3. Кроме того, образуются молекулы DMA:NH2 (DMA - диметилалюминий), которые имеют тенденцию создавать сложные цепные молекулы вида (DMA:NH2)n, где n = 1, 2, 3,... Большая часть таких молекул, не успев диссоциировать и принять участие в росте, уносится газом-носителем из реактора.

При температуре выше 850 °C вхождение In в выращиваемый слой стремительно уменьшается и возникает резкая зависимость содержания In от температуры роста при различных расходах MOC In. Поэтому при выращивании слоев квантовых ям Ga1-xInxN в активной области гетероструктур для промышленных чипов синих светодиодов с содержанием индия х = 0,1...0,15 необходимо снижать температуру роста. Однако при низких температурах возникают трудности с ростом эпитаксиальных слоев высокого кристаллического качества. Это связано, с одной стороны, с уменьшением доли диссоциировавшего аммиака, а с другой - с уменьшением длины поверхностной диффузии адсорбированных атомов, что приводит к огрублению поверхности. Поэтому оптимальная температура с точки зрения эффективности вхождения In и поддержания условий роста слоев с гладкой морфологией поверхности находится в диапазоне 720-770 °С.

Литература

1. Юнович А.Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов // Светотехника. - 1996. - Вып. 5, 6. - С. 28-33.

2. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.

3. Куэй Р. Электроника на основе нитрида галлия: пер. с англ. под ред. д. ф.-м. н. А.Г. Васильева. -М.: Техносфера. 2011. - 578 с.

4. Туркин А. Н. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектро-нике // Компоненты и технологии. - 2011. - № 5. - С. 6-10.

5. Белкин М.Е., Кудж С.А., Сигов А.С. Новые принципы построения радиоэлектронной аппаратуры СВЧ-диапазона с использованием радиофотонной технологии // Российский технологический журнал. -2016. - № 1 (10). - С. 4-20.

6. Крапухин Д.В., Мальцев П.П. Монолитная интегральная схема малошумящего усилителя на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГц // Российский технологический журнал. - 2016. - Т. 4. - № 4 (13). -С. 42-53.

7. Vigdorovich E.N., Sveshnikov Yu.N. Termodinamic stability of the GaN-InN-AlN system // Inirganic Materials. - 2000. - Vol. 36. - No. 5. - P. 465-467.

8. Леонович Б.И., Трофимов Е.А., Жеребцов Д.А. Термодинамический анализ системы галлий -азот // Вестник ЮУрГУ. Сер. Химия. - 2013. - Т. 5. - № 4. - С. 43-50.

9. Материалы Всероссийских совещаний и конференций «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» за 1997-2017 гг. URL: http: nitridesconf.ioffe.ru/history.htm (дата обращения: 13.03.2017).

10. Стрельченко С.С., ЛебедевВ.В. Соединения AmBV: справочник. - М.: Металлургия, 1984. -144 с.

11. Thermodynamic properties of inorganic materials compiled by SGTE. P. 1-4: Elements and compounds. - Springer: Scientific Group Thermodata Europe, 1999-2000.

Поступила 16.03.2017 г.; принята к публикации 25.04.2017 г.

Вигдорович Евгений Наумович - доктор технических наук, профессор кафедры оптических и биотехнических систем и технологий Физико-технологического института Московского технологического университета, лауреат Государственной премии СССР (Россия,107076, г. Москва, Стромынка, 20), evgvig@mail.ru

References

1. Yunovich A.E. Svetodiody na osnove geterostruktur iz nitrida galliya i ego tverdykh rastvorov [LEDs based on heterostructures of gallium nitride and its solid solutions]. Svetotekhnika - Light and Engineering, 1996, vol. 5, 6, pp. 28-33. (In Russian).

2. Shubert F.E. Svetodiody [Light Emitting Diodes]. Moscow, Fizmatlit, 2008. (In Russian).

3. Kuehj R. Elektronika na osnove nitrida galliya. Pod red. A.G. Vasil'eva. [Electronics based on gallium nitride. Under the editorship of A. G. Vasiliev. The world of electronics]. Moscow, Technosphera, 2011. 578 p. (In Russian).

4. Turkin A.N. Nitrid galliya kak odin iz perspektivnykh materialov v sovremennoj optoehlektronike [Gallium nitride as one of the most promising materials in modern optoelectronics]. Komponenty i tekhnologii -Components and technologies, 2011, no. 5, pp. 6-10. (In Russian).

5. Belkin M.E., Kudzh S.A., Sigov A.S. Novye printsipy postroeniya radioehlektronnoj apparatury SVCH-diapazona s ispol'zovaniem radiofotonnoj tekhnologii [The new principles of construction of electronic equipment of microwave range using radiational technology]. Rossijskij tekhnologicheskij zhurnal - Russian technology magazine, 2016, no.1 (10), pp. 4-20. (In Russian).

6. Krapukhin D.V., Mal'tsev P.P. Monolitnaya integral'naya skhema maloshumyashhego usilitelya na nitride galliya dlya diapazona 57-64 GGts [Monolithic integrated circuit low noise amplifier on gallium nitride for a range of 57-64 GHz]. Rossijskij tekhnologicheskij zhurnal - Russian technology magazine, 2016, vol. 4, no. 4 (13), pp. 42-53. (In Russian).

7. Vigdorovich E.N., Sveshnikov Yu.N. Termodinamic stability of the GaN-InN-AlN system. Inirganic Materials, 2000, vol. 36, no. 5, pp. 465-467.

8. Leonovich B.I.,Trofimov E.A., Zherebtsov D.A. Termodinamicheskij analiz sistemy gallij-azot [Thermodynamic analysis of the system gallium-nitrogen]. Vestnik YUUrGU, seriya Khimiya - Bulletin of SUSU, series Chemistry, 2013, vol. 5, no. 4, pp. 43-50. (In Russian).

9. Materialy Vserossijskikh soveshhanij i konferentsij «Nitridy galliya, indiya i alyuminiya: struktury i pribory» za 1997-2017 gg. [Materials of all-Russian meetings and conferences «Nitrides of gallium, indium and aluminum: structures and devices» for 1997-2017 . Available at: http: nitridesconf.ioffe.ru/history.htm (accessed: 13.03.2017). (In Russian).

10. Strel'chenko S.S., Lebedev V.V. Soedineniya AInBV. Spravochnik [Compound III-V semiconductors. Reference]. Moscow, Metallurgiya, 1984.144 p. (In Russian).

11. Thermodynamic Properties of Inorganic Materials compiled by SGTE. Part 1-4: Elements and Compounds. Scientific Group Thermodata Europe. Springer, 1999-2000.

Submitted 16.03.2017; accepted 25.04.2017.

Vigdorovich Evgeny N. - doctor of technical sciences, professor of the Optical and Biotechnical Systems and Technologies Department, Physics and Tehnology Institute of Moscow Technology University (Russia, 107076, Moscow, Stromynka, 20), evgvig@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.