| Название: | Концентрированный твёрдый раствор GaAsN и p-n-гетеропереход GaAsN/ GaAs, получаемые имплантацией поверхности GaAs ионами азота |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 09 - Инженерные науки |
| Научная дисциплина: | 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов |
| Ключевые слова: | Полупроводники A3B5 группы, GaAsN, твёрдый раствор, оптоэлектроника, инфракрасное излучение, ИК, ионная имплантация, химический состав, фотоэлектронная спектроскопия, РФЭС, электронная оже-спектроскопия, ЭОС, люминесценция, электронная структура, запрещённая зона |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Микушкин,ВМ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-19-01200 |
Развитие физики, химии и техники полупроводников явилось основой информационной революции, начавшейся во второй половине прошлого века с появлением цифровой вычислительной техники. Новый её этап питается достижениями A3B5 полупроводниковой электроники и оптоэлектроники. Однако при большом разнообразии A3B5 полупроводников возникает потребность в свойствах, которыми известные полупроводники не обладают. Именно такой является потребность в узкозонном полупроводнике, постоянная кристаллической решётки которого была бы близка к постоянной решетки GaAs и широкозонных растворов GaAlAs. Появление такого полупроводника позволило бы создавать приборы, способные непрерывно перекрыть широкий оптический спектр, включая практически важную область инфракрасного диапазона (1.3 мкм). Решением этой задачи более четверти века активно занималось множество научно-технологических групп. Используя ростовые методы, они получали твёрдые растворы GaAs1-xNx , ширина запрещённой зоны которых уменьшается при увеличении концентрации азота x в области малых значений x. В итоге было развито научно-технологическое направление «разбавленных твёрдых растворов GaAsN (x < 0.03) » с шириной запрещённой зоны, достигающей 1.1 эВ. Однако традиционными методами воспроизводимо получить более концентрированные растворы с меньшей шириной запрещённой зоны так и не удалось из-за распада растворов на более устойчивые фазы.
Представляемый проект направлен на решение актуальной проблемы A3B5 полупроводниковой оптоэлектроники – на получение нового узкозонного полупроводника – концентрированного твёрдого раствора GaAsN, технологически совместимого с широкозонными по величине постоянной решётки и элементному составу. Целью проекта является разработка нового способа получения и исследование концентрированного твёрдого раствора GaAs1-xNx (0.03 < x < 0.09), p-n- гетероперехода GaAsN/GaAs и светодиодных структур с люминесценцией в области 1.3 мкм (0.95 эВ).
Поставленная задача будет решаться с помощью нового имплантационного подхода с in situ контролем элементного и химического составов нитридного слоя в процессе его формирования. Этот подход был развит авторами проекта в последние годы и является научным заделом проекта. В основе подхода лежит идея нитридизации “холодной” поверхности GaAs. Низкая температура поверхностного слоя GaAs препятствует распаду концентрированного раствора, происходящему при использовании традиционных ростовых технологий. Дополнительным позитивным фактором в имплантационном подходе оказывается перемешивающее действие каскадов вторичных ионов, порождаемых бомбардирующими ионами. Медленные вторичные ионы атомизируют устойчивые фазы (GaN, GaAs) и делают нитридный слой атомно-однородной смесью всех атомов слоя, каким и является твёрдый раствор GaAsN. Использование имплантационного подхода уже позволило авторам получить аморфизированные нанослои концентрированного твёрдого раствора. Восстановление кристаллической структуры нитридного слоя будет осуществлено обычным или импульсным отжигом, успевающим восстановить дальний порядок до распада раствора на более стабильные химические фазы.
Принципиальным преимуществом авторов проекта в решении задачи получения нитридов будет использование разработанных ими электронно-спектроскопических методик количественного in situ контроля не только элементного, но и, что особенно важно, химического состава нитридного слоя в процессе его создания. Это важно потому, что в процессе нитридизации арсенида галлия возможно образование многих химических фаз. Их контроль позволяет добиваться нужного состава регулировкой технологических параметров. Методы электронной спектроскопии в сочетании с методом дифракции медленных электронов планируется использовать не только для определения элементного и химического составов материала, но и для изучения его электронной структуры и влияния на неё кристаллического порядка.
Основное направление работы будет связано с использованием низкоэнергетических пучков ионов N2+ кэВ-диапазона, которые позволят легко получать высокую концентрацию азота в слоях толщиной 7-15 нм и оперативно контролировать их in situ в высоковакуумных камерах электронных спектрометров. Для получения более толстых нитридных слоёв (сотни нм – 1 мкм), будут использованы пучки более высоких энергий (сотни кэВ). Необходимая однородность концентрации азота по глубине таких плёнок будет достигаться использованием пучков двух и более энергий. Результаты исследования толстых плёнок будут использованы не только для получения светоизлучающих структур, но и для оценки возможности создания на основе концентрированного раствора GaAsN ИК макета светодиода.
Помимо методов электронной спектроскопии планируется использовать ряд оптических методов (фото- и электролюминесценции, Рамановского рассеяния) для определения ширины запрещённой зоны растворов и исследования процесса восстановления их кристаллической структуры быстрым термическим отжигом. Для оптических и электрических исследований будут разработаны методики покрытия нанослоя раствора проводящими и оптически прозрачными слоями, выполняющими функции омического контакта и защитного слоя (диффузионного барьера), предохраняющего структуру от окисления. Таким образом, будет получен новый научный результат: различными методами будет экспериментально определена ширина запрещённой зоны нанослоя концентрированного твёрдого раствора в широком диапазоне концентраций азота. На основе этих данных будет получен параметр нелинейности (bowing parameter), с помощью которого возможно будет предсказывать ширину запрещённой зоны твёрдого раствора с более высокой концентрацией азота. Будет установлено, может ли твёрдый раствор GaAsN превратиться в металл при концентрации азота x ~ 0.1, как это предсказано в некоторых теоретических работах.
p-n-гетеропереход GaAsN/ GaAs будет сформирован пучком ионов азота с использованием нового подхода, связанного не с легирующим, а с чисто механическим действием ионного пучка на слой GaAs n-типа. Эффект образования слоя p-типа при бомбардировке поверхности n-GaAs ионами аргона наблюдался авторами и является частью научного задела. Новый способ формирования p-n-перехода сфокусированным ионным пучком позволит получать приборные структуры с латеральным разрешением ионного нанозонда в сверхчистых условиях сверхвысокого вакуума без использования традиционных методов литографии.
Научно-прикладная новизна поставленной задачи заключается в том, что, как ожидается, впервые будет получен твёрдый раствор GaAsN, с шириной запрещённой зоны Eg = 0.95 эВ, соответствующей второму окну прозрачности оптического волокна и атмосферы (~ 1.3 мкм). На основе этого раствора будут созданы светодиодные структуры и исследованы их электрические и люминесцентные свойства.
Ожидаемые результаты
1. С помощью имплантационного подхода будет налажено контролируемое получение кристаллического слоя концентрированного твёрдого раствора GaAs1-xNx в широком диапазоне концентраций азота (0.03 < x < 0.09). Будут получены тонкие (7-15 нм) и толстые (сотни нм) слои твёрдого раствора. Будет разработан оригинальный способ получения слоя раствора предположительно с шириной запрещённой зоны Eg = 0.95 эВ (1.3 мкм). Для изготовления приборных структур будет разработана технология формирования на поверхности структур проводящих и оптически прозрачных слоев, выполняющих функции омических контактов и предохраняющих поверхность от окисления.
Научная и практическая значимость результата определяется тем, что новый полупроводник позволит создавать приборы на основе ряда GaAsN- GaAs- GaAlAs, способные непрерывно перекрыть широкий оптический спектр, включая практически важную область инфракрасного диапазона.
2. Будет исследована электронная структура и определена ширина запрещённой зоны нанослоя концентрированного твёрдого раствора GaAsN в широком диапазоне концентраций азота. На основе этих данных будет получен параметр нелинейности (bowing parameter), с помощью которого возможно будет предсказывать ширину запрещённой зоны твёрдого раствора с ещё более высокой концентрацией азота.
Научное значение данного результата заключается в том, что будет получена новая информация (bowing parameter), необходимая для развития теории твёрдых растворов в области сильного отклонения от закона Вегарда, позволяющего во многих случаях предсказывать важные физические параметры растворов (постоянную решётки и ширину запрещённой зоны) на основе данных об их составляющих. Будет также установлено, возможно ли получить прямозонный твёрдый раствор GaAsN с шириной запрещённой зоны, соответствующей окнам прозрачности 1.3 мкм и 1.55 мкм, может ли твёрдый раствор GaAsN превратиться в металл при концентрации азота x ~ 0.1, как это предсказано в некоторых теоретических работах.
Соответствие мировому уровню ожидаемых результатов по п.п. 1 и 2 определяется тем, что попытки их получить традиционными ростовыми методами неоднократно предпринимались во многих лабораториях мира на протяжении последней четверти века. Однако, добиться воспроизводимости опубликованных результатов не удалось не только другим исследователям, но и самим авторам. Широкое использование на практике разбавленного твёрдого раствора GaAs1-xNx (x < 0.03) позволяет предположить, что концентрированный твёрдый раствор GaAsN и p-n переход на его основе, обладающие значительно более уникальными и привлекательными свойствами, также найдут практическое применение.
3. Будет разработан новый способ получения p-n- гетероперехода p-GaAsN/n-GaAs имплантацией поверхности GaAs n-типа ионами азота.
Научное значение данного результата заключается в том, что будет продемонстрирована возможность получения новых физически важных наноструктурированных объектов с латеральным разрешением ионного нанозонда в сверхчистых условиях сверхвысокого вакуума без использования традиционных методов литографии одним лишь ионным пучком.
Результат по п. 3 соответствует мировому уровню, поскольку представляет собой основанный на новом эффекте способ получения приборного элемента на основе нового материала (п.1) с новыми свойствами (п.2). Практическое значение результата определяется возможностью интегрирования p-n- гетероперехода на диапазон 1.3 мкм в оптоэлектронные приборные структуры.
4. На основе разработанного p-n гетероперехода GaAsN/GaN будут созданы светодиодные структуры, исследованы их вольт-амперные характеристики и люминесцентные свойства. Ожидается получить светодиодные структуры с длиной волны 1.3 мкм, соответствующей окнам прозрачности оптического волокна и атмосферы. Таким образом, впервые ожидается получить светодиодные структуры на концентрированном твёрдом растворе GaAsN, которые относительно легко интегрируются с широкозонными приборами на основе растворов GaAlAs.
Ожидаемые результаты относятся к развитию элементной базы информационных технологий, оказывающих особенно сильное воздействие на социальную сферу.
