WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2 Деформация слоев в сверхрешетках AlGaN/GaN по данным рентгенодифракционного анализа © Р.Н. Кютт, М.П. Щеглов, В.Ю. Давыдов, А.С. Усиков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 23 июня 2003 г.) Методом трехкристальной рентгеновской дифрактометрии проведены структурные исследования нитридных сверхрешеток AlGaN/GaN, выращенных методом MOCVD на сапфире с буферным слоем GaN и AlGaN, для которых в широком интервале варьировались: период СР (от 50 до 3500 ), содержание Al в слоях AlxGa1-x N (0.1 x 0.5) и состав буферного слоя. Характерные для СР пики-сателлиты вплоть до третьего порядка хорошо выявляются на -2-кривых симметричных брэгговских отражений, -кривых симметричной Лауэ-геометрии. Соответствующие кривые хорошо моделируются на основе кинематических формул.

С использованием комбинации симметричных брэгговского и лауэвского отражений определены как средние параметры СР, так и толщина, состав и деформация отдельных слоев. Показано, что все исследованные образцы являются частично релаксированными структурами с релаксацией упругих напряжений как между СР в целом и буферным слоем, так и между отдельными слоями. Слои AlGaN находятся в состоянии растяжения, а слои GaN — в состоянии сжатия, при этом по абсолютной величине сжатие слоев GaN больше, чем растяжение слоев AlGaN, что обусловлено вкладом термоупругих напряжений.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № 03-02-16164 и 0302-17562), Президиумом РАН (комплексная программа научных исследований „Низкоразмерные квантовые структуры“) и МОРФ(грант № E02-3.4-182).

Нитриды галлия, алюминия и твердые растворы на из рентгенодифракционного анализа, ограничивалась их основе являются перспективными материалами для определением композиции слоев и общего уровня релакоптоэлектронных устройств, работающих в голубой и сации СР относительно буфера. Наиболее подробно профиолетовой областях спектра. Среди них пристальное цессы и механизм релаксации упругих напряжений в СР внимание исследователей привлекает твердый раствор AlGaN/GaN рассмотрены в [13] с использованием оптиAlGaN вследствие применения не только в лазерных ческой микроскопии, рентгенодифракционного анализа структурах, где он используется в качестве „cladding“ и фотолюминесцентной спектроскопии. В [15] показано, слоев, но и в полевых транзисторах, работающих под что рост СР AlGaN/AlN в качестве буфера позволяет большим напряжением и при высоких температурах.

значительно уменьшить плотность прорастающих дислоВследствие большого пьезоэлектрического коэффициен- каций. В [16] исследована дефектная структура системы та и механических напряжений, возникающих между AlGaN/GaN на GaN-буфере и показано ее влияние на слоями GaN и AlGaN, в гетероструктурах AlGaN/GaN транспортные свойства.

могут генерироваться сильные электрические поля, спо- В настоящей работе проведено детальное рентгенодисобствующие образованию на гетерограницах между фракционное исследование сверхрешеток AlGaN/GaN в слоями большой концентрации двумерного электронно- широком диапазоне изменения толщины слоев, конценго газа.

трации Al и состава буферного слоя. Поскольку как одиНачиная с работы Накамуры и др. [1], объектом шиночные эпитаксиальные слои GaN, так и многослойные рокого круга оптических и электрических исследований системы на его основе относятся к сильнонарушенным стали сверхрешетки (СР) AlN/GaN и AlGaN/GaN [2–5].

структурам с большой плотностью дефектов [17–19], Физические свойства этих структур сильно зависят от особое внимание уделено проблемам определения панапряжений в слоях СР и от дефектов, образующихся раметров сверхрешеток с использованием комбинаций при их релаксации. Поэтому большое значение приобрентгенодифракционных отражений.

ретают исследования деформационного состояния слоев СР, процессов их релаксации и образующихся при этом 1. Дифракция от сверхрешеток дефектов.

и определение структурных Рентгеновская дифрактометрия является оптимальным инструментом определения структурных параметпараметров ров СР. Она используется и при исследовании нитридных структур [6–17]. В большинстве этих работ Дифракционные кривые от СР содержат периодически внимание сосредоточено на определении пределов ко- расположенные пики-сателлиты, обусловленные периогерентного роста СР AlGaN/GaN при разных значениях дическим изменением по глубине СР деформации (z ) концентрации Al, периода и общей толщины структу- и рассеивающей способности (структурного фактора) ры [6,7,10–12]. Исходя из этого информация, получаемая F(z ). При этом взаимная интенсивность сателлитов 11 354 Р.Н. Кютт, М.П. Щеглов, В.Ю. Давыдов, А.С. Усиков зависит от характера распределения этих величин по глубине одного периода. Для симметричных отражений деформация (z ) выражается через изменение межплоскостного расстояния измеряемого рефлекса d(z ) (для несимметричных отражений она включает в себя еще и взаимные развороты отражающих плоскостей, возникающие в когерентно сопряженных или не полностью релаксированных слоях СР). В большинстве случаев эпитаксиальные СР могут быть представлены состоя- Рис. 1. Схематическое представление изменения параметщими из двух чередующихся слоев разного состава с ра a по глубине релаксированной некогерентной сверхрешетки AlGaN/GaN на буферном слое GaN (a) и AlGaN (b). В порезкой границей между ними. Тогда распределения d следнем случае содержание Al в буферном слое больше, чем и F по периоду характеризуются двумя значениями в среднем по сверхрешетке. Штриховые линии — параметры межплоскостного расстояния d1 и d2, структурными решетки GaN, AlGaN в ненапряженном состоянии, а также факторами F1 и F2 и толщиной этих слоев t1 и t2.

среднее значение a по СР. a1 и a2 — скачки параметра на Для слоев тройных твердых растворов структурные факторы непосредственно определяются их составом x1 гетерогранице между буфером и СР, а также между слоями СР соответственно.

и x2; что касается межплоскостного расстояния, то его значения зависят не только от состава, но и от деформационного состояния этих слоев, которое может быть в свою очередь описано параметрами релаксации. Та- некогерентной СР оба скачка параметра будут отличким образом, имеется шесть независимых структурных ны от нуля, при этом для сохранения периодичности параметров, которые определяют вид дифракционной структуры a2 должно быть одинаковым по абсолютной картины и которые нужно получить из дифракционного величине на всех границах между слоями СР.

анализа (x1, x2, t1, t2 и два параметра релаксации). Для Из дифракционной кривой симметричного брэгговсистемы GaN/AlxGa1-x N, где один слой представляет ского отражения непосредственно определяются: перисобой чистое вещество, а другой — твердый раствор, од T — из расстояния между сателлитами и средний число независимых параметров уменьшается до пяти.

параметр c — из углового положения среднего пика В пленках со структурой вюртцита, растущих вдоль (нулевого сателлита) СР на шкале углов 2. Из анализа гексагональной оси 0001, параметр решетки a опреформул кинематической теории рассеяния, записанных деляет межплоскостные расстояния в плоскости интердля двухслойной СР с резкими интерфейсами [20], фейса, параметр c — перпендикулярно ему. Обознаследует, что отношение интенсивности сателлитов n-го чим через ai и ci реальные (измеряемые) параметры порядка к интенсивности нулевого In/I0 может быть решетки i-го слоя в системе, а через ab и cb — i i записано в виде простых аналитических выражений и явсоответствующие значения для слоя данного состава в ляется функцией трех величин: отношения толщин двух свободном (ненапряженном состоянии), где индекс i = слоев t2/t1, отношения их структурных факторов F2/Fсоответствует буферному слою, а i = 1, 2 — первому и и деформационного параметра, который для симметричвторому субслоям СР. Упругая деформация слоев СР ного брэгговского отражения может быть представлен в равна виде ai - ab i 2 · sin() t1 · ti =, (1) B = · ·. (3) ab i t1 + tа реальный параметр ci = cb(1 - pi), где p = 2c13/c33 С учетом релаксации между слоями разность деi есть отношение Пуассона. Тогда релаксацию упруформаций двух слоев СР равна гих напряжений в СР можно характеризовать скачком ai = ai-ai-1 параметра решетки a на гетерогранице cAlN - cGaN aAlN - aGaN a = · x + p · · x - p ·, или относительным уровнем релаксации cGaN aGaN aGaN (4) ai - ai-1 ai ri = =. (2) где cGaN, aGaN и cAlN, aAlN — табличные параметры ab - ai-1 ab - ai-i i решетки соединений GaN и AlN соответственно, а Величины a1 и r1 соответствуют релаксации на ниж- отношение Пуассона p = 2c13/c33 взято одинаковым для слоев GaN и AlGaN. При прочих равных условиях чем ней гетерогранице (между буферным слоем и первым больше значение B, тем выше интенсивности боковых слоем СР), а a2 и r2 — релаксации на границах между сателлитов по отношению к нулевому, при B > 1.отдельными слоями (рис. 1). Для нерелаксированной нулевой сателлит может стать меньше остальных пиков, когерентной структуры a1 = a2 = 0. При сохранении когерентности отдельных слоев СР и ее релаксации как и встает проблема его идентификации. Три указанные целого относительно буфера a2 = 0, a1 может быть величины (B, t2/t1, F2/F1) могут быть вычислены из как меньше, так и больше нуля в зависимости от со- относительной интенсивности сателлитов, если их число става буферного слоя. В общем случае релаксированной на экспериментальной кривой больше трех.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Деформация слоев в сверхрешетках AlGaN/GaN по данным рентгенодифракционного анализа Несмотря на то что таким путем все пять независи- и -2-сканирования в двух геометриях дифракции для мых параметров СР могут быть получены из анализа образцов: симметричном брэгговском (отражение 0002) одной кривой симметричного брэгговского отражения, и симметричном Лауэ (10–10). При измерении кривых точность их определения не очень велика, особенно -2-моды фиксировалась абсолютная шкала углов распри малых концентрациях Al в слое твердого раствора. сеяния 2. Для некоторых образцов снималось полное Поэтому в настоящей работе в качестве дополнитель- распределение интенсивности вокруг узла обратной реного параметра использовалось 2-угловое положение шетки. Отражения монохроматора и анализатора высреднего пика СР на кривой симметричного Лауэ- бирались с учетом необходимости получения большей отражения, из которого непосредственно вычисляется интенсивности результирующего сигнала и достижения значение среднего параметра a сверхрешетки наименьшей дисперсии в зависимости от измеряемого рефлекса образца.

a =(a1t1 + a2t2)/T. (5) Из величин B, t2/t1, c и a определялись реальные 3. Результаты и обсуждение параметры c и a для обоих слоев СР, а отсюда содержание Al в слое AlGaN и параметры релаксации a1 Двухкристальные интегральные кривые симметричи a2. Описанный выше аналитический подход содержит ных брэгговских отражений не выявляют какой-либо ряд приближений (отсутствие переходных слоев между тонкой структуры, демонстрируя общий уширенный GaN и AlGaN, постоянство структурных факторов в пик от всего слоя буфер–сверхрешетка. Однако таизмеряемом угловом интервале). Поэтому полученные кая структура четко видна на трехкристальных кривых параметры использовались в качестве начальных при -2-сканирования (рис. 2). В зависимости от парарасчете дифракционных кривых, а затем их значения метров СР на них наблюдаются сателлиты вплоть до уточнялись путем сравнения расчетных кривых с экспятого порядка, что является свидетельством хорошей периментальными. В настоящей работе расчет кривых периодичности выращенных структур. Кроме пиков СР отражения проводился на основе кинематического прина большинстве кривых можно зафиксировать также ближения [20], процедура расчета описана в работе [21].

отражение от буферного слоя. Для некоторых образцов Рассчитанные кривые отражения характеризуют иде(с периодом СР 20-80 ) сателлиты фиксируются и альную сверхрешетку без структурных дефектов. Для в симметричной Лауэ-геометрии (на кривых -моды), дефектных структур, к которым относится изучаемая хотя их интенсивность намного меньше интенсивности система, пики-сателлиты уширены за счет влияния десреднего пика отражения СР. Пример такой кривой фектов. Однако практика показала, что все сателлиты приведен на рис. 3, a.

сверхрешетки искажаются одинаковым образом (если Такая выборочная выявляемость сателлитов на диучитывать только влияние дефектов, а не ошибок в фракционных кривых объясняется спецификой дислопериодичности СР). Это обстоятельство позволяет прокационной структуры пленок GaN. Она состоит в водить сравнение расчетных (для идеальной СР) и основном из прямолинейных дислокаций винтового и экспериментальных (искаженных) кривых отражения по краевого типов, перпендикулярных гетерогранице. Их относительной высоте сателлитов или по их интегральвлияние сводится к тому, что распределение интенсивной интенсивности.

ности вокруг узлов обратной решетки растягивается в При определении характеристик СР были использонаправлении, параллельном поверхности [24,25]. Ушиваны следующие параметры: для GaN — a = 3.189, рение рефлексов вдоль нормали к поверхности намного c = 5.1851, p = 0.53; для AlN — a = 3.113, меньше. Поскольку дополнительные центры отражения c = 4.9816, p = 0.49 [22–23].

(сателлиты) также распределены вдоль нормали (в направлении периодического изменения состава кристаллического слоя), они могут быть зафиксированы на 2. Эксперимент кривых, представляющих сечение узлов обратной решетСверхрешетки AlGaN/GaN были выращены методом ки в этом направлении, т. е. для -2-сканирования в MOCVD на подложках 0001-сапфира с буферным слоем, симметричной брэгговской геометрии и для -кривых в толщина которого составляла около 1 µm. Исследова- симметричном случае Лауэ.

лись три серии образцов. Две серии образцов содержали Из рис. 2 видно, что с увеличением периода (T ) СР СР с равными толщинами слоев, с концентрацией Al в при сохранении x кривые 0002-отражения заметно меодном из них около 26 at.%, период варьировался от 5 няют свою форму. Интенсивность среднего пика падает, до 320 nm. В одной серии слои выращивались на буфере а боковых сателлитов возрастает. При больших периодах GaN, в другой — на AlGaN. В образцах третьей серии (T > 1600 ) кривая распадается на две системы осцилвыдерживался неизменным период СР (около 10 nm), ляций, локализованных около центров отражения двух но менялась концентрация Al в слое от 10 до 50 at.%. слоев GaN и AlGaN. Такая трансформация связана с увеОбщая толщина СР была неизменной (около 3 µm). личением деформационного параметра B с увеличением Рентгенодифракционные измерения проводились на периода СР. Что касается углового положения среднего трехкристальном дифрактометре с использованием пика, то оно практически одинаково для СР с периодом CuK-излучения. Измерялись дифракционные кривые - в интервале 50-400.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.