Анотація до роботи:

Кідалов В.В. Гетероструктури на основі монокристалічних та поруватих сполук А²В⁶ та А³В⁵, отримані методом радикало - променевої епітаксії. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків. Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова, Одеса, 2006.

Дисертація присвячена розробці фізико-технологічних основ отримання гетеропереходів на основі монокристалічних і поруватих сполук А²В⁶ і А³В⁵, методом радикало-променевої епітаксії та вивченню їх люмінесцентних, електрофізичних, структурних та морфологічних властивостей.

У дисертації запропоновано для зменшення механічних напружень у гетероструктурі GaN/GaAs використовувати поруваті підкладки GaAs. За результатами комбінаційного розсіювання світла, дифрактометричних досліджень та спектрів фотолюмінесценції визначено напруження в плівках GaN, які отримані на монокристалічних та поруватих підкладках GaAs.

Отримано нанопоруваті шари GaAs як n-, так і p- типу провідності. Оцінки розмірів кристалітів за результатами комбінаційного розсіювання світла, фотолюмінесценції й скануючої електронной мікроскопії показала добре їх узгодження між собою, значення яких знаходяться у межах 5-10 нм. У спектрах ФЛ поруватих шарів GaAs як n-, так і p- типу спостерігається випромінювання в області 1,85-2,1 еВ, пов'язане із квантово-розмірними ефектами в результаті утворення нанооб’єктів (квантових дротів).

Моделювання процесу нітридизації GaAs дозволило встановити технологічні умови, за яких відбувається повне заміщення атомів миш'яка атомами азоту в підкладках GaAs і утворюються тонкі шари GaN в поверхневій області GaAs.

Залежно від режимів радикало-променевої епітаксії отримано структури p-ZnО/n-ZnSe і p-ZnО/p-ZnSe/n-ZnSe. Вивчено фотолюмінесценцію шарів ZnО, отриманих методом радикало-променевої епітаксії. Досліджено вплив легування киснем плівок ZnS:Mn шляхом термообробки їх в потоці атомів кисню на люмінесцентні, електричні й фотоелектричні характеристики МДНДМ структур на основі цих плівок. Виявлено зміни в характеристиках, що свідчать про утворення на поверхні плівки тонкого шару ZnO, а під ним шару ZnS_1-xO_x, з малим значенням х.

Створення випромінювальних та фотоприймальних приладів видимого та ультрафіолетового діапазонів є однією з актуальних проблем сучасної оптоелектроніки. Вирішення цієї проблеми вимагає пошуку та розробки нових технологічних процесів, пошуку шляхів її оптимізації, вивчення та аналізу випромінювальних та безвипромінювальних процесів рекомбінації в широкозонних матеріалах на основі сполук А³B⁵ та А²B⁶ , дослідження та узагальнення структурних та морфологічних перетворень в епітаксійних плівках та гетерострутурах на їх основі.

Нижче сформульовано найбільш важливі результати узагальнюючого характеру, які вперше отримано в дисертації.

1. Проведено аналітико-чисельне моделювання процесів росту тонких епітаксійних плівок GaN при нітридизації монокристалічних підкладок GaAs та отримано й проаналізовано профілі розподілу атомів основних хімічних елементів, що входять до складу сполук епітаксійних плівок GaN та підкладки GaAs.

2. Проаналізовано термодинаміку фізико-хімічної взаємодії на міжфазних межах гетеросистеми „GaAs-атомарний азот” при нітридизації GaAs, визначено термодинамічні умови створення стабільних плівок GaN, а також визначено умови існування бінарного розрізу GaAs-GaN.

3. Детально експериментально досліджено та проаналізовано фізико-технологічні процеси нітридизації монокристалічного GaAs та виявлено створення потрійної сполуки GaAs_xN_1-x за температури нітридизації до 773 К; установлено, що за температури нітридизації більше 773 К відбувається повне заміщення атомів миш'яку збудженими атомами азоту, які надходять із газової фази, й у поверхневій області утворюється тонка плівка GaN.

4. Отримано нанопоруваті шари GaAs n- і p-типу провідності та проведено оцінку розмірів (5-10 нм) їх нанокристалітів. Встановлено, що спектр ФЛ характеризується смугою у видимій частині спектра з максимумом в області 1,85-2,1 еВ, яка пов'язана із квантоворозмірним ефектом у нанокристалітах поруватого GaAs і смугою в інфрачервоній області з максимумом 1,38 еВ тільки для зразків GaAs р-типу.

5. З використанням методів раманівської спектроскопії, низькотемпературної фотолюмінесценції, рентгено-дифрактометричних досліджень виявлено та вивчено залежності механічних напружень у плівках GaN від морфології поруватої підкладки GaAs. Експериментально доведено, що мінімальні напруження й дзеркальну поверхню мають плівки GaN, отримані на нанопоруватих підкладках GaAs з розміром кристалітів 20 нм.

6. Експериментально встановлено зв`язок типу кристалічної гратки GaN з кристалографічною орієнтацією поруватої підкладки GaAs, зокрема показано, що плівки GaN кубічної сингонії формуються на поруватих (001)-підкладках GaAs, а гексагональної сингонії - на поруватих (111)- підкладках GaAs.

7. Виявлено вплив параметрів відпалу в радикалах азоту на люмінесцентні властивості епітаксійних плівок GaN:Zn, отриманих методом МОС-гідридної епітаксії. Виявлено та досліджено нові смуги ФЛ з енергіями в максимумах 3,27 і 3,42 еВ, інтенсивність яких збільшується з ростом температури відпал (773 K– 973 K), установлена їх фізична природа. Показано, що смуги ФЛ 2,88; 3,42 і 3,27 еВ, характерні для плівок GaN, отриманих за допомогою практично всіх епітаксійних технологій, зв’язані з простими дефектами структури. Експериментально доведено участь кисню у формуванні смуги 3,42 еВ та проаналізовано взаємозв’язок між інтенсивністю цієї смуги та концентрацією кисню.

8. За допомогою комплексних експериментальних досліджень процесів формування гетероструктур ZnO/ZnS(ZnSe) при обробці сульфідів (селенідів) цинку в радикалах атомарного кисню:

- встановлено, що на поверхні плівки ZnS:Mn утворюється шар, збагачений киснем, аж до виникнення тонкого шару ZnO, що підтверджується появою в спектрах ФЛ зеленої смуги ZnO, а в спектрах фотодеполяризації - фотоструму в області 3,2-3,4 еВ відповідних E_g оксиду цинку, під шаром ZnO утворюється (за до-

сить високої температури обробки) шар ZnS_1-xO_x з малим значенням x, що не перевищує 0,013.

- визначено та вивчено фізичний механізм дефектоутворення в плівках ZnS:Mn при обробці їх в радикалах кисню, який пов’язаний не тільки з витягуванням іонів цинку на поверхню, що супроводжується генерацією V_Zn (такий механізм підтверджується посиленням синьої смуги (2,7 еВ) у спектрі ФЛ), але й дифузією іонів кисню вглиб плівки з утворенням там ізовалентних пасток [O_s^2-]^O і їх комплексів з іонами Mn²⁺.

- експериментально встановлено чітку кореляцію зниження граничного напруження й більш симетричних хвиль яскравості без погіршення яскравості й ефективності ЕЛМ та параметрів відпалу структур в атомарному кисні (T_обр < 673 K).

10. Виявлено й вивчено електролюмінесценцію рідкоземельних елементів (Er) у структурі ZnО/ZnS, що отримана методом радикало-променевої епітаксії і включає в себе піки з максимумами енергії 2,208; 2,240; 2,244; 2,315 еВ, які відповідають електронним переходам іонів Er³⁺ зі збудженого ⁴S_3/2 стану в основний ⁴I_15/2.

11. Виявлено й вивчено блакитну смугу ФЛ у монокристалічних шарах ZnS:Tm p-типу, отриманих методом радикало-променевої епітаксії, область випромінювання яких знаходиться в межах 2,2 –2,7 еВ і включає в себе вузькі лінії з максимумами при енергії 2.23; 2,56; 259; 2,62; 2,64 еВ що відповідають електронним переходам іонів Tm³⁺ зі збудженого ¹G₄ стану в основний ³H₆ .

12. Експериментально встановлено можливість отримання різних кольорів випромінювання (від синього до жовтого) одного й того ж люмінесцентного шару ZnS:Mn, обробленого в потоці атомарної сірки, який містить не один, а декілька центрів випромінювання різного типу: перший з максимумом 2,16 еВ (за який відповідає комплекс іону марганцю та вакансії сірки [Mn ²⁺ V_S]); та другий 2,75 еВ (який повязують з переходом електрона із зони провідності на рівень ізольованих вакансій цінку V_Zn). У спектрах електролюмінесценції МДНДМ структур на основі ZnS:Mn при збільшенні напруги (від 4 В до 5 В) спостерігається зміщення максимуму випромінювання від 2,75 еВ до 2,16 еВ.

Достовірність результатів висновків і рекомендацій підтверджується комплексністю проведених досліджень з використанням системи добре апробованих експериментальних методик (рентгенівський аналіз, вторинна ioнна мас-спектроскопія, рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, растрова електронна мікроскопія, спектральний аналіз, комбінаційне розсіювання світла, електронна спектроскопія для хімічного аналізу) та зіставленням отриманих із різних експериментів одних і тих самих фізичних параметрів і характеристик, відтворюваністю результатів досліджень, узгодженням результатів з даними інших авторів, коли таке порівняння було можливим, високим міжнародним рейтингом та імпакт-фактором наукових видань, в яких опубліковані основні роботи з теми дисертації (Physica Status Solidi; Nuclear Instruments & Methods in Physics Research: Journal of Crystal Growth; Journal of Luminescence; Semiconductors physics quantum electronics & optoelectronics; Физика и техника полупроводников; Неорганические материалы; Журнал технической физики; Журнал прикладной спектроскопи; Український фізичний журнал та інші), а також широкою апробацією матеріалів роботи на міжнародних і вітчизняних конференціях, семінарах, симпозіумах.