IF PAN » NANOBIOM » Promocja » Promocja rezultatów » Instytut Wysokich Ciśnień
powrót do góry



 
 
IWC PAN - okres od 01.10.2008 do 31.03.2009



W okresie 01.10.2008 - 31.03.2009 w IWC PAN realizowane było zadań dotyczących realizacji programu kluczowego POIG.01.01.02-00-008/08 pt. "Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie". Zadania te można podzielić na cztery zasadnicze grupy:
- rozwój badan i krystalizacja podłoży GaN metodami wysokociśnieniowymi i HVPE (zad. 7 i 8),
- określenie mechanizmu atomowego krystalizacji GaN (zad. 9),
- wyznaczenie podstawowych czynników wpływających na efektywność działania czynnych i biernych przyrządów optoelektronicznych (zad. 10, 11 13 i 14),
- opracowanie struktur przyrządów elektronicznych opartych na gazie elektronowym 2D - 2DEG (zad. 15).

W ramach realizacji tych zadań uzyskano szereg nowych ważnych wyników naukowych i zanotowano znaczący postęp technologiczny w szeregu zagadnień. W przypadku planowanej krystalizacji GaN uzyskano podłoża o zaplanowanych parametrach technologicznych, które zostały przekazane do przeprowadzenia procesów epitaksji w ramach innych zadań projektu. W procesach krystalizacji wysokociśnieniowej zostały zbadane warunki termodynamiczne stabilnej morfologicznie krystalizacji na dużych podłożach w różnych konfiguracjach przy uwzględnieniu dużej anizotropii wzrostu. Przykład płytki otrzymanej podczas krystalizacji w kierunku niepolarnym został pokazany na rys. 1.
 
    Rys. 1 Przekrój poprzeczny płytki GaN przygotowanej do wzrostu na orientacji niepolarnej po obustronnym wzroście wysokociśnieniowym w czasie 30 godzin. Widoczne makroskopowe stopnie wzrostu będące wynikiem silnej dezorientacji kryształu - zarodzi od nisko-indeksowej płaszczyzny {10-10}.  
 
W ramach zadania dotyczącego krystalizacji metodą HVPE zbadano proces osadzania warstw GaN na szafirze, w celu zastosowania technik redukcji gęstości dyslokacji dla uzyskania podłoży GaN o dużych rozmiarach i wysokiej jakości krystalograficznej. Ponadto został opanowany proces domieszkowania na typ n podczas wzrostu metoda domieszkowania krzemem poprzez zastosowanie SiCl2H2. Uzyskane zostały założone koncentracje elektronów swobodnych w zakresie 2 - 8 x 1018 cm-3 na całym obszarze podłoża. Przykład otrzymanego kryształu GaN o dużych rozmiarach został przedstawiony na rys. 2.
 
    Rys. 2 Niepolarne płytki GaN o orientacji (10-10) otrzymane poprzez cięcie kryształu GaN o grubości 5 mm otrzymanego w 4 kolejnych procesach HVPE: a - kryształ na uchwycie piły diamentowej po pocięciu na niepolarne płytki: szerokość cięcia i grubość płytek - 400 μm, b - płytki bezpośrednio po cięciu, zaznaczone obszary "c" i "d" zawierające defekty są pokazane w powiększeniu na Rys. 2.7 c i d odpowiednio, c - niepolarna płytka po dwustronnym polerowaniu mechanicznym: jamka nr 1 powstała już w pierwszej warstwie kryształu i odtworzyła się w każdej następnej, d - inna płytka: jamka 2 jest podobna do jamki 1, natomiast jamka 3 jest wygenerowana dopiero w drugiej warstwie kryształu.  
 
W zadaniu 9 wykonano szereg obliczeń DFT, dotyczących atomowej struktury powierzchni GaN(0001) w warunkach typowych dla wzrostu GaN metodami MOVPE i HVPE, a więc w silnym nadmiarze amoniaku. Otrzymane wyniki wskazują, że na tej powierzchni zachodzi adsorpcja amoniaku bez bariery energetycznej. Ponadto następuje desorpcja molekularnego wodoru, w procesie charakteryzującym się niską barierą energetyczną, co prowadzi do powstania pokrycia powierzchni przez rodniki NH2. Niezależnie od tego wykazano możliwość modelowania procesów wzrostu poprzez włączanie pola elektrycznego w model slabu, co otwiera możliwość modelowania włączania domieszek podczas wzrostu kryształów i warstw półprzewodników.
W zadaniach 10 i 11 badano mechanizm wbudowywania się atomów Ga, Al., In oraz Si i Mg w zależności od warunków wzrostu, na powierzchniach polarnych GaN(0001), w warunkach małych odchyleń od płaszczyzny głównej. Badano wpływ warunków termodynamicznych wzrostu warstw InGaN na ich własności optyczne i elektryczne. W szczególności został szczegółowo zbadany wpływ obecności wodoru jako gazu nośnego na wbudowywanie się atomów In i powstawanie stabilnych morfologii powierzchni. Określony został wpływ gazu nośnego i temperatury wzrostu na powstawanie pinholi i kształtowanie struktury stopni atomowych warstw GaN i InGaN. Przeprowadzono badania mechanizmu wzrostu w funkcji składu chemicznego gazów i temperatury podłoża. Wykazano że obecność azotu jako gazu nośnego powoduje powstawanie pinholi w warstwach GaN otrzymywanych w niskich temperaturach. Dodawanie wodoru powoduje stabilizację wzrostu poprzez powstawanie struktury gładkich równoległych stopni, lecz jednocześnie zmniejsza zawartość indu w otrzymywanych warstwach InGaN. Przykład struktury powierzchni otrzymanej metoda pomiaru mikroskopu się atomowych (AFM) jest pokazany na rys. 3.
 
    Rys. 3. Powierzchnia warstw InGaN (20 nm) wyhodowanego w różnych ciśnieniach i zoptymalizowanych przepływach reagentów.  
 
Uzyskany rezultat wskazuje, że wzrost na tej orientacji prowadzi do drastycznie zmniejszonej zawartości In w uzyskanych warstwach, np. uzyskano 2-3 at. %In na płaszczyżnie m, podczas gdy wzrost na płaszczyżnie c w orientacji galowej prowadzić do uzyskania zawarto?ci 20 at. %In.
W ramach realizacji zadań 13 i 14 prowadzono prace badawcze i technologiczne w celu uzyskania wysoko wydajnych przyrządów optoelektronicznych, w tym diod laserowych, ich matryc oraz diod superelektroluminescencyjnych. Otrzymano struktury kształtowane przestrzennie w skali mikro i nano, poprzez odpowiednie formowanie pól naprężeń jak i poprzez integrację tych struktur w matryce laserowe o wysokiej mocy. Przykład badania ramanowskiego struktury naprężonej jednoosiowo zostać pokazany na rys. 4.
 
    Rys. 4. Mapa widm ramanowskich uzyskana przez skanowanie próbki w kierunku prostopadłym do pasków struktury.  
 
Otrzymano również struktury zintegrowanych pasków laserowych. Rys. 5 pokazuje zdjęcie takiej struktury wykonane przy pomocy mikroskopu Nomarskiego. Chip laserowy przeznaczony do montażu miał wymiary 1000 x 700 μm. Zamiast deklarowanych 10 linijek wyprocesowano 11 linijek, co było związane z wymaganiami procesu fotolitografii.

 
    Rys. 5. Zdjęcie z mikroskopu optycznego elementu laserowego o wymiarach 1000x700 μm.  
 
W ramach realizacji zadania 15 zostały wykonane badania nad otrzymywaniem struktur HEMT o wysokiej ruchliwości gazu elektronowego 2-d (2DEG). W szczególności wykonano badania nad uzyskiwaniem buforów GaN na szafirze. Otrzymane warstwy buforowe GaN o grubości 2,4 mikrona maja bardzo wysoka oporność. Uzyskana koncentracja nośników jest poniżej 3*1016cm-3 przy jednocześnie małej ruchliwości (rezystywność >1,5M?cm). Ponadto uzyskano struktury 2DEG na podłożach wysokociśnieniowych o niskiej gęstości dyslokacji. Przy użyciu pomiaru efektu Halla określono koncentrację i ruchliwość elektronów 2DEG w strukturach HEMT w funkcji temperatury w zakresie od 1.5 K do 300K. W temperaturze ciekłego helu otrzymano koncentracje w zakresie od 1.2*1012 cm-2 do 5.7*1012 cm-2, a ruchliwości od 10 000 do 32 000 cm2/Vs w zależności od parametrów technologicznych wzrostu.