WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 8 Рамановская и инфракрасная спектроскопии нанокристаллов GaN, выращенных хлорид-гидридной эпитаксией на оксидированном кремнии ¶ + © В.Н. Бессолов, Ю.В. Жиляев, Е.В. Коненкова, В.А. Федирко, D.R.T. Zahn Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Московский государственный технологический университет „Станкин“, 101472 Москва, Россия + Institut fr Physik, TU Chemnitz, D-09107 Chemnitz, Germany (Получена 27 января 2003 г. Принята к печати 28 января 2003 г.) Методами рамановской и инфракрасной спектроскопии изучались нанокристаллические GaN-пленки, которые были выращены хлорид-гидридной эпитаксией на SiO2/Si (111)-подложке при T = 520C. Установлено, что нанокристаллы GaN формируются на поверхности оксидированного кремния со скоростью 10-2 нм/с.

Показано, что пики рамановских спектров E2(high) =566 см-1 и A1(LO) =730 см-1 соответствуют упругонапряженной структуре вюрцита GaN. Обнаружено, что в инфракрасных спектрах проявляется пик, связанный с E1(TO) =558 см-1, который показывает, что упругие напряжения в нанокристаллах невелики.

Нитрид-галлиевые эпитаксиальные пленки играют Данная работа посвящена изучению свойств нанокриважную роль в создании приборов коротковолновой сталлов GaN, выращенных методом хлоридно-гидридной электроники. Отсутствие идеального материала для под- эпитаксии на подложке оксидированного кремния.

ложки является основным препятствием, которое сдер- Гетероэпитаксия GaN осуществлялась на предваживает прогресс в получении высокоэффективных при- рительно окисленных подложках кремния диаметборов на основе этого полупроводника. Различные моно- ром 50 мм, которые вращались потоком водорода с кристаллы (Al2O3, SiC, GaAs, Si) активно используются частотой 1 Гц. Соотношение потоков H2/NH3 = 2 : 1, темкак подложки для гетероэпитаксиального роста GaN. пература эпитаксии T = 520C. После гетероэпитакНесмотря на большое рассогласование коэффициентов сии, с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), термического расширения и параметров решетки эпи- при комнатной температуре в атмосферных условиях таксиального вюрцитного слоя GaN и подложки Si, производилась регистрация картины зародышеобразоваиспользовать последнюю при создании приборов осо- ния GaN.

бенно привлекательно из-за интеграции GaN в Si-микро- Рамановские спектры были сняты, используя электронику. Z(X, Y )Z-геометрию, где Z направлена вдоль C-оси вюрцита. Известно, что идеальный GaN-кристалл имеет В последнее время много внимания уделяется разгексагональную структуру вюрцита (пространственная работке технологии нанокристаллов GaN как потенгруппа симметрии C4 ). В -точке оптические циального материала для приборов наноэлектроники.

6v фононы принадлежат неприводимому представлению Нанокристаллы [1,2], нанопроволоки [3] GaN были син = A1(Z) +2B + E1(X, Y ) +2E2, где X, Y, Z —натезированы различными физическими или химическими opt правления поляризации. Рамановски активным фононам методами, однако работ, посвященных исследованию напринадлежат моды A1(Z), E1(X, Y ) и E2, в то время как ноструктур GaN на кремниевой подложке, практически B-моды являются немыми. Рамановские измерения были нет. Эпитаксиальные слои GaN на кремниевой подложке выполнены при комнатной температуре, используя мополучают различными методами: химическим осажденохроматор системы Dilor XY, оборудованный мультинием в высоком вакууме [4], MOCVD [5] и HVPE [6].

канальным детектором. Аргоновый лазер ( = 514.5нм) В газофазной эпитаксии в хлоридной системе при низбыл использован в качестве источника возбуждения.

ких температурах формирование слоя GaN на оксидироРазмер лазерного пятна составлял 1 мкм и спектральное ванной кремниевой подложке начинается с образования разрешение было около 2 см-1. Мощность излучения, нанокристаллических островков [7].

падающего на образец, составляла около 20 мВт.

Для того чтобы получить полное представление об Инфракрасная спектроскопия проводилась на приборе оптических и электронных свойствах как слоев GaN, Bruker IFS66.

выращенных на Si-подложке [8], так и нанокристаллов Гетероэпитаксиальный рост на предварительно окисGaN успешно применяется рамановская [3,9] и инфраленной подложке кремния при низких температурах красная (ИК) [10] спектроскопии.

начинается с трехмерного зарождения островка GaN, ¶ E-mail: Bes@triat.ioffe.ru причем высота островка h в момент его возникновения Рамановская и инфракрасная спектроскопии нанокристаллов GaN... Рис. 1. Спектры рамановского рассеяния света нанокристаллов GaN (a, b), профиль поверхности GaN/SiO2 (c, d) и распределение зародышей GaN по размерам (e, f ) при различных временах роста (время в мин): a, c, e — 100, b, d, f — 200. Масштабы (c, d), нм:

x — 1000, y — 1000, z — 100. T = 300 K.

соизмерима с радиусом его основания R [7]. Распреде- спектроскопия показала, что спектры нанокристаллов с ление зародышей GaN по размерам на поверхности под- h 200 нм и h 400 нм подобны и состоят из пиков ложки изменяется: с увеличением времени роста от 10 с максимумами 1100 и 480 см-1, которые мы связыдо 200 мин средний размер h увеличивается линейно ваем с Si, и пика с максимумом 558 см-1, обусловот 15 до 400 нм (рис. 1, c–f ). ленного E1(TO)-модой (рис. 2), в то время как в Изучались нанокристаллы GaN с тремя различны- спектре нанокристалла с h 50 нм пик, обусловленный ми величинами h: 50, 200 и 400 нм. Инфракрасная E1(TO)-модой, отсутствует.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 966 В.Н. Бессолов, Ю.В. Жиляев, Е.В. Коненкова, В.А. Федирко, D.R.T. Zahn температурой эпитаксии (520C) и высоким барьером для возникновения зародыша GaN на оксидном слое кремния.

Спектры инфракрасного поглощения показывают (рис. 2), что для зародышей GaN с размером h 50 нм проявляются только пики 480 и 1100 см-1, связанные с Si [10] (рис. 2, a), а для зародышей GaN с h 200 и 400 нм появляется пик 558 см-1, который обусловлен E1(TO)-модой [10] (рис. 2, b, c). Подобный пик 566 см-1 наблюдали авторы [10] при ИК спектроскопии слоев GaN толщиной 0.8 мкм, выращенных методом MOCVD на Si (001)-подложке. Меньшее значение максимума пика E1(TO), полученное в нашей работе, можно связать с меньшими упругими напряжениями в нанокристаллах с размером 400 нм по сравнению с Рис. 2. Спектры ИК поглощения нанокристаллов GaN/SiO2/Si напряжениями в слоях толщиной 0.8 мкм. Это связас различным значением h (нм): a — 50, b — 200, c — 400.

но с тем, что зарождение нанокристаллов происходит не на Si, как в [10], а на аморфном слое оксида кремния. Следует отметить, что в объемном нитриде Рамановская спектроскопия использовалась для выяв- галлия величина пика, обусловленного E1(TO)-модой, ления свойств нанокристаллов GaN как в зависимости от их размеров, так и при нанесении на их поверхность атомов серебра в высоком вакууме. Для нанокристаллов GaN с размерами h 400 нм были зарегистрированы пики с максимумами 566 и 730 см-1, обусловленными модами E2(high) и A1(TO) соответственно, и пик 516 см-1, который мы связываем с Si (рис. 1, b). Спектры нанокристаллов с h 50 и 200 нм имели только пик с максимумом 516 см-1 (рис. 1, a). При помещении всех исследуемых нанокристаллов в вакуум и последующем отжиге рамановские спектры вначале имели лишь один пик с максимумом 516 см-1 (рис. 3), однако в процессе нанесения Ag на поверхность появлялся пик с максимумом 737 см-1, который мы связываем с A1(LO)-модой. Для нанокристаллов с h 200 и 400 нм после нанесения Ag был обнаружен еще один пик с максимумом 716 см-1. По мере нанесения атомов Ag на поверхность интенсивность пика 516 см-1 уменьшалась, а интенсивность пиков 737 и 716 см-1 вначале возрастала при увеличении толщины покрытия Ag до 3 нм, а затем падала.

Как известно, на начальной стадии формирования GaN на SiO2/Si-подложке происходит образование нанокристаллических зародышей, которые подвержены как упругой, так и пластической деформации с образованием дислокаций несоответствия. На оптические свойства таких пленок, помимо состояния самого нанокристалла, будет оказывать влияние также и состояние среды между нанокристаллами (поры, дефекты, дислокации) и наличие аморфных кластеров. Поэтому анализ рамановских и ИК спектров непрост.

Из АСМ измерений видно, что на поверхности SiOвозникают новые зародыши, причем их размеры увеличиваются линейно с увеличением времени роста Рис. 3. Спектры рамановского рассеяния света при разных пленок со скоростью 10-2 см/с (рис. 1, e, f ). Такая толщинах нанесенного Ag двух нанокристаллов GaN с различнебольшая скорость роста островка обусловлена низкой ным значением h (нм): a — 50, b — 400.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Рамановская и инфракрасная спектроскопии нанокристаллов GaN... составляет 557 см-1 по теоретическим оценкам [10]. [3] G.S. Cheng, L.D. Zhang, Y. Zhou, G.T. Fei, L. Li, C.M. Mo, Y.Q. Mao. Appl. Phys. Lett., 75, 2455 (1999).

Итак, видно, что наличие оксидного слоя не только [4] M.H. Kim, Y.-C. Bang, N. M. Park, C.J. Choi, T.Y. Seong, предотвращает взаимодействия кремния с аммиаком с S.J. Park. Appl. Phys. Lett., 78, 2858 (2001).

образованием Si3N4, но и снижает упругую деформацию [5] A. Munkholm, C. Thompson, M.V. Raman Murty, J.A. Eastнанокристаллов, вызванную различием параметров реman, O. Anciello, G.B. Stephenson, P. Fini, S.P. DenBaars, шеток Si и GaN.

J.S. Speck. Appl. Phys. Lett., 77, 1626 (2000).

Рамановские спектры таких нанокристаллов подтвер[6] Yu.V. Melnik, K.V. Vassilevski, I.P. Nikitina, A.I. Babanin, ждают данные ИК спектроскопии. Если размеры наноV.Yu. Davidov, V.A. Dmitriev. MRS Internet J.: Nitride кристаллов GaN h 50, 200 нм, то в рамановских спекSemicond. Res., 2, 39 (1997).

трах проявляется только пик 516 см-1, который связан [7] В.Н. Бессолов, Ю.В. Жиляев, Е.В. Коненкова, С.А. Кус Si. Аесли h 400 нм, то проявляется еще пик с максикушкин, А.В. Лукьянов, С.Д. Раевский, В.А. Федирко.

мумом 566 см-1, который обусловлен A1(LO)-модой. По- Письма ЖТФ, 27 (23), 60 (2001).

добный пик 566.2 см-1 наблюдали авторы [8] при изуче- [8] M. Benyonul, M. Kuball, B. Benumont, P. Gibart. Appl. Phys.

Lett., 80, 2275 (2002).

нии GaN-слоев толщиной 2 мкм, выращенных MOCVD [9] Y.G. Cao, X.L. Chen, Y.C. Lan, X.P. Xu, Y.K. Liang. J. Mater.

на Si (111)-подложке, и связывали его с упругонапряженRes., 15, 267 (2000).

ным состоянием слоя. Итак, рамановская спектроскопия [10] X. Zhang, Y.T. Hou, Z.C. Feng, J.L. Chen. J. Appl. Phys., 89, нанокристаллов с h 400 нм GaN/SiO2/Si (111), выра6165 (2001).

щенных методом HVPE, и слоев GaN/Si (111) толщи[11] S. Tripathy, S.J. Chua, P. Chen, Z.L. Miao. J. Appl. Phys., 92, ной 2 мкм, выращенных методом MOCVD, показывает 3503 (2002).

сходные результаты, что свидетельствует о примерно Редактор Л.В. Беляков равных упругих напряжениях.

Рамановская спектроскопия нанокристаллов GaN с h = 400 нм, помещенных в высокий вакуум и ото- The Raman and IR spectroscopy of GaN жженных при T = 600C, приводит к исчезновению nanocrystals grown by chloride-hydride пика 566 см-1, однако нанесение атомов серебра приepitaxy on oxidized silicon водит к появлению пика с максимумом 737 см-1 во V.N. Bessolov, Yu.V. Zhylaev, E.V. Konenkova, всех исследуемых нанокристаллах, который тоже свяV.A. Fedirko,D.R.T. Zahn+ зан с A1(LO)-модой [11] (рис. 3). С увеличением толщины осажденного серебра до 3-4нм интенсивность Ioffe Physicotechnical Institute, пика 737 см-1 возрастала, а интенсивность пика с Russian Academy of Sciences, максимумом 516 см-1 падала. В рамановских спектрах 194021 St. Petersburg, Russia нанокристаллов с h 400 нм по мере осаждения серебра The Moscow State Technological University Stankin“, ” проявлялся еще и пик с максимумом 716 см-1, иденти101472 Moscow, Russia + фицировать который нам не удалось.

Institut fr Physik, TU Chemnitz, Таким образом, методами рамановской и инфракрасD-09107 Chemnitz, Germany ной спектроскопии обнаружено, что нанокристаллы GaN, выращенные на оксидированном кремнии, проявляют монокристаллические свойства, присущие напряженной структуре вюрцита. Невысокая ( 10-2 см/с) скорость роста нанокристаллов позволяет управлять их размерами и открывает новые возможности метода HVPE для нитрид-галлиевой наноэлектроники.

Работа была частично поддержана программой Министерства промышленности и науки Российской Федерации (госконтракт 40.012.1.1.1153) и грантом РФФИ (03-03-32503).

Один из авторов (Е.В. Коненкова) считает своим приятным долгом поблагодарить Саксонское Министерство науки и культуры (Германия) за финансовую поддержку.

Список литературы [1] P. Millet, A. Colka, J.S. Williams, G.J.H. Vantenaar. Appl. Phys.

Lett., 63, 2505 (1993).

[2] M. Benaissa, M. Jose-Yacaman, J.M. Hernander, X. Bokhimi, K.E. Gouseles, G. Gerlson. Phys. Rev. B, 54, 17 763 (1996).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.




© 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.