Одержання кристалів сапфіру та їх оптичні і люмінесцентні властивості

Диссертация посвящена усовершенствованию технологии промышленного выращивания кристаллов сапфира видоизмененным методом Киропулоса на отечественных установках типа “Омега”, установлению взаимосвязи между условиями выращивания и структурным совершенством кристаллов, выявлению собственных и примесных точечных дефектов оптико-люминесцентными методами, изготовлению совершенных сапфировых подложек диаметром два и три дюйма ориентации (0001) для эпитаксии гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN, на базе которых изготавливают цветные светодиоды, и исследованию спектральных и вольт-амперных характеристик таких светодиодов. Изготовлено тепловой узел к ростовым установкам “Омега”, который обеспечивает выращивание оптического качества безблочных и безпузырных кристаллов -Al₂O₃ диаметром 120150 мм и отработана технология нарезания подложек необходимой ориентации с точностью 15^/ для опто- и микроэлектроники. В качестве исходного сырья использовались кристаллы корунда, выращенные методом Вернейля, от различных фирм-производителей, а также прессованные брикеты американского производства. Установлено, что наиболее качественные объемные кристаллы вырастали из полубуль вернейлевого производства из Чехии.

Исследованы спектры пропускания и люминесценции при лазерном, рентгеновском и электронном возбуждении кристаллов -Al₂O₃, выращенных методами Вернейля и видоизмененным методом Киропулоса. В спектрах пропускания кристаллов, выращенных видоизмененным методом Киропулоса, всегда присутствуют полосы 206 и 225 нм, которые обусловлены F- и F⁺-центрам соответственно. Данный тип дефектов характерный для кристаллов сапфира с анионной расстехиометрией, то есть всегда присутствует в кристаллах, выращенных из расплава в вакууме. В ИК-спектрах неотожженных как нелегированных, так и легированных кристаллов корунда, выращенных методом Вернейля, присутствуют полосы, обусловленные валентными колебаниями ОН-групп. Установлено, что в кристаллах -Al₂O₃ выращенных в водородно-кислородном пламени методом Вернейля, водород играет роль технологической примеси, локализация которого возле катионных вакансий приводит к компенсации их заряда и возникновению ОН-групп. В спектрах катодо- и рентгенолюминесценции кристаллов сапфира присутствуют полосы, обусловленные как собственными точечными дефектами решетки (F-, F⁺-, F₂- и Al_i⁺- центры), так и фоновыми примесями Cr³⁺ и Ti³⁺. Показано, что при выращивании кристаллов из расплава видоизмененным методом Киропулоса имеет место частичное очищение расплава от остаточных примесей Cr и Fe за счет их испарения. Методами ЭПР и активационного анализа с использованием тормозного -излучения, установлено наличие примеси Мо в кристаллах -Al₂O₃, выращенных из расплава в молибден-вольфрамовых тиглях. Указано на возможные пути вхождения примеси Мо в кристалл и на способы защиты от такого вхождения.

Исследованы спектры электролюминесценции светодиодов, изготовленных на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN. Установлено, что причиной появления в спектрах излучения голубых светодиодов кроме основной полосы электролюминесценции в гетероструктуре еще слабых R-линий (692,8 и 694,3 нм) есть переизлучение ионов Cr³⁺ в сапфировой подложке. Рассмотрена возможность практического использования эффекта красного переизлучения в рубиновых подложках с нанесенными на них гетероструктурами, излучающими в синей и зеленой областях спектра, для создания белых светодиодов.

Ключевые слова: сапфир, рубин, ИК-спектроскопия, люминесценция, электронный парамагнитный резонанс, гетероструктуры, светодиоды.

Размещено на Allbest.ru