Нитриды элементов ІІІ-й группы, в частности, нитрид галлия (GaN) привлекают внимание исследователей во многих лабораториях мира как весьма перспективные материалы для создания оптических устройств, способных работать в коротковолновой области спектра, а также быстродействующих электронных приборов. Причин тому несколько. Во-первых, большая подвижность электронов. Во-вторых, высокая стабильность физических и химических свойств нитридов, что позволяет эксплуатировать созданные на их основе приборы в самых неблагоприятных условиях. В-третьих, более высокая "экологичность" по сравнению с другими материалами. Однако нитридные полупроводники достаточно капризны. Очень трудно, например, вырастить качественные пленки GaN, еще труднее контролировать их электрическую проводимость.

Тем не менее, уже во второй половине 80-х появились технологии выращивания высококачественных монокристаллов GaN и формирования p-n переходов. В результате были созданы голубые и зеленые светодиоды, фиолетовые полупроводниковые лазеры, ультрафиолетовые фотодетекторы, полевые транзисторы. Их применение может быть весьма разнообразным. Так, голубые и зеленые светодиоды могут применяться в светофорах. Сотня нитридных светодиодов при токе 10 мА потребляет всего 7 Вт и может без сколь либо заметной деградации работать 104-105 часов (т.е. круглосуточно более чем в течение года), а значит, заменить лампу накаливания и сэкономить примерно 800 кВт в час в год на каждом светофоре. Фотодетекторы на основе AlGaN, работающие в диапазоне короче 280 нм, могут использоваться в качестве датчиков пожарной сигнализации. Большие надежды возлагаются на полупроводниковые лазеры фиолетового и ультрафиолетового излучения, позволяющие увеличить плотность записи информации до 1 Гбит/см². Ожидается и скорое внедрение быстродействующих электронных приборов на основе нитридов в мобильные телекоммуникационные системы.

В 90-е годы развернулись широкие исследования квантоворазмерных структур на основе нитридных полупроводников, в частности, квантовых ям (quantum wells) в гетероструктуре InGaN/GaN. В 1997 г. к ним подключилась и лаборатория оптики полупроводников Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси в сотрудничестве с Институтом полупроводников Технического университета Аахена (Рейн-Вестфалия) и компанией AIXTRON AG (Аахен: www.aixtron.com). Последняя обладает уникальными технологиями выращивания самых различных полупроводников на основе арсенида галлия, фосфата индия и нитридов.

Первые результаты были опубликованы уже в 1998-99 гг. В проведенных экспериментах с помощью ультрафиолетового отжига удалось значительно улучшить оптические свойства гетероструктуры InGaN/GaN, так что интенсивность фотолюминесценции активных слоев единичных квантовых ям и двойных гетероструктур возрастала в 10-25 раз. Кроме того, в очень широком температурном диапазоне (от температуры жидкого азота 78 К до 600 К) были исследованы фотолюминесценция и вынужденное излучение гетероструктур InGaN/GaN со многими квантовыми ямами шириной 10 нм при оптической накачке излучением азотного импульсного наносекундного лазера. Были изучены также зависимости спектров и интенсивности разных видов излучений от плотности токов и интенсивности оптической накачки с целью установления механизмов рекомбинации и усиления.

Использование вынужденного излучения в диапазоне 450-470 нм полупроводниковых гетероструктур на основе GaN имеет огромное практическое значение для создания новых сверхъемких накопителей информации, сверхъярких полноцветных дисплеев высокого разрешения и других приложений. Однако существующие синие светодиоды и полупроводниковые лазеры с электрической накачкой пока имеют ряд существенных недостатков, сильно ограничивающих их применение. Один из них связан с постепенным возрастанием концентрации доли индия в активных слоях InGaN, что ведет к росту неоднородности, расширению спектра и потере мощности лазерного излучения. Это значительно сокращает срок работы таких лазеров и делает их малопригодными для массового использования, например, в устройствах хранения информации. Для отработки методов контроля за качеством активных слоев белорусские физики использовали метод оптической накачки. И им удалось получить устойчивую эмиссию света в диапазоне 450-470 нм при комнатной температуре, причем лазер сохранял работоспособность вплоть до 450 К.

В эти годы продолжались исследования и других перспективных полупроводниковых гетероструктур, в частности, на основе селенида цинка (ZnSe) и арсенида галлия (GaAs). В этой области также были получены многие новые, интересные результаты.

Важным шагом вперед в исследованиях оптических свойств полупроводниковых гетероструктур стал переход от использования сапфировых и карбид-кремниевых подложек к кремниевым. Преимущества кремния тут неоспоримы. Кремниевые подложки в десятки раз дешевле, а технология их производства хорошо отработана. Но важно и другое. Современные технологии позволяют производить качественные кремниевые пленки диаметром до 300 мм. Подобно карбиду кремния они имеют очень высокую теплопроводность, что очень важно для создания высокопроизводительных электронных приборов, и не обладают изолирующими свойствами сапфира, что также существенно для многих приложений.

При изучении оптических свойств нитридных гетероструктур, выращенных на кремниевых подложках, белорусским физикам удалось достичь значительного успеха - впервые создать лазеры на гетероструктурах InGaN/GaN на многих квантовых ямах с порогом 35-40 кВт/cм² и импульсной мощностью 20-30 Вт при комнатной температуре, работающие до 360° C (длина волны излучения 455 нм). Лазеры, выращенные на кремнии, впервые были представлены на Международной конференции по нитридным полупроводникам в Аахене в июле 2002 г. (www.fz-juelich.de/iwn2002/frames.html). Как показали наши ученые совместно с немецкими коллегами и учеными Физико-технического Института им. А.Ф. Иоффе РАН, синие лазеры могут быть использованы в качестве лазеров накачки для генерирования излучения в зеленой области спектра.

Результаты исследований докладывались на многих крупных научных форумах: Нагоя, Япония (2000); Москва, Рим (2001); Минск, Будапешт, Варшава, Кордова, Аахен (2002) и др., в том числе на прошедшей 25-30 мая этого года в г. Нара (Япония) 5-й Международной конференции по нитридным полупроводникам (icns5.chem.tuat.ac.jp).

В настоящее время аналитики весьма оптимистично оценивают перспективы рынка электронных и оптоэлектронных устройств на основе нитридных гетероструктур, что создает весьма благоприятный фон для работы наших ученых. К сожалению, ввиду проводимой у нас политики финансирования науки пожинать основные плоды от внедрения новых технологий, скорее всего, будут наши более продвинутые партнеры.

Сергей САНЬКО,
[email protected]

Лаборатория оптики полупроводников создана в Институте физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси в 1971 г. Основные направления работы связаны с изучением оптических свойств перспективных полупроводниковых материалов и лазеров на их основе. С середины 90-х в лаборатории разворачиваются исследования полупроводниковых гетероструктур с "квантовыми ямками" на широкозонных полупроводниках, в том числе с 1997 г. гетероструктур на основе нитрида галлия. В 2002 г. сотрудникам лаборатории удалось создать первый лазер синего света с оптической накачкой на основе нитрида галлия, выращенного на кремниевой подложке.

Заведует лабораторией профессор Геннадий Петрович Яблонский (на снимке справа). В состав группы входят доктор физико-математических наук Александр Леонидович Гурский (второй слева) и Евгений Викторович Луценко (второй справа), аспирант Виталий Зигмундович Зубелевич (на снимке слева) и магистрант Алексей Славомирович Ануфрик, а также студенты БГУ Александр Викторович Данильчик и Роман Борисович Пигаль.