WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 6 Термостабильность эпитаксиальных слоев GaN c разной степенью упорядоченности мозаичной структуры © Г.В. Бенеманская, А.И. Бесюлькин, М.С. Дунаевский, А.К. Крыжановский, Н.М. Шмидт Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 21 октября 2002 г.) Методом атомно-силовой микроскопии проведены исследования термостабильности эпитаксиальных слоев GaN, выращенных методом эпитаксии из металлорганических соединений на сапфировой подложке (0001).

Образцы различного качества подвергались температурному отжигу в пределах 700-950C в условиях высокого вакуума. Показано, что степень упорядоченности мозаичной структуры эпитаксиальных слоев сильно влияет на термостабильность. Деградация поверхности для эпитаксиальных слоев с хорошо упорядоченной мозаичной структурой наблюдается при температуре 950C. Изменение морфологии поверхности слоев с плохо упорядоченной мозаичной структурой начинается при более низких температурах 780C.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 01-02-16802 и гранта в рамках программы № 1-107 Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации.

Во многих обзорах [1,2] по свойствам нитридов упо- которое характерно также для всех слоев нитридов, минается о том, что характерной особенностью нит- используемых в светоизлучающих, фотоприемных, вырида галлия является его высокая термостабильность. соковольтных приборах на их основе.

Результаты немногочисленных исследований термостабильности эпитаксиальных слоев GaN показали, что после отжигов в атмосфере азота заметные изменения 1. Экспериментальная методика морфологии поверхности эпитаксиальных слоев GaN гексагональной модификации, выращенных методом эпиИсследовались эпитаксиальные слои GaN n-типа протаксии из металлорганических соединений MOCVD, водимости, выращенные методом эпитаксии из металлнаблюдаются при температурах выше 1200C [3]. Для органических соединений MOCVD на сапфировых подэпитаксиальных слоев, полученных другими методами, ложках (0001) при давлении 200 mbar. Слои характеэти изменения начинаются при более низких темперизовались концентрацией носителей (1-3) · 1017 cm-3, ратурах (800-900C). Данные по термостабильности толщиной 3 µm, подвижностью носителей заряда эпитаксиальных слоев GaN при высокотемпературных 300-600 cm2 · V-1 · s-1 при комнатной температуре.

прогревах в условиях вакуума практически отсутствуют.

Морфология образцов GaN (0001) до и после темпеМежду тем такие сведения важны как с практической, ратурных отжигов в сверхвысоком вакууме изучалась так и с научной точки зрения, поскольку исследования с помощью АСМ. Для количественного определения электронных свойств поверхности, таких как работа степени упорядоченности мозаичной структуры эпитаквыхода, поверхностный изгиб зон, спектр поверхностсиальных слоев результаты структурного исследования, ных состояний, проводятся, как правило, после отжига полученные с помощью АСМ, обрабатывались методами непосредственно в условиях вакуума при различных мультифрактального анализа [8,9].

температурах до 800 [4], 900 [5] 1000C [6,7].

Основные результаты по термообработкам приведены С точки зрения прикладных задач (например, для изгодля двух эпитаксиальных слоев GaN(0001). Образец I явтовления фотоэмиссионных приборов) информация об ляется наиболее совершенным с точки зрения морфолоизменениях поверхности GaN при отжигах в вакууме гии поверхности, рентгеноструктурных и электрических также необходима.

характеристик; он имеет степень упорядоченности мозаВ настоящей работe приводятся результаты исслеичной структуры -0.32 и подвижность носителей заряда дования методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) 600 cm2 · V-1 · s-1. Образец II характеризуется подвижтермостабильности эпитаксиальных слоев GaN гексаностью носителей заряда 300 cm2 · V-1 · s-1 и степенью гональной модификации, выращенных MOCVD и подупорядоченности мозаичной структуры -0.335. Следует вергнутых температурным отжигам в условиях высокого отметить, что образец II по своим параметрам несколько вакуума. При этом одной из задач таких исследований является выяснение соответствующего влияния степе- хуже образца I, однако он не самого плохого качества.

ни упорядоченности мозаичной структуры эпитаксиаль- Для слоев плохого качества характерными являются ного слоя на результаты термообработки. Мозаичная низкие значения подвижности ( 100 cm2 · V-1 · s-1) структура эпитаксиальных слоев GaN гексагональной и индекса степени упорядоченности мозаичной структумодификации — одно из фундаментальных свойств, ры (-0.36).

Термостабильность эпитаксиальных слоев GaN c разной степенью упорядоченности... Предел термостабильности указанных образцов контролировался по изменению морфологии поверхности слоев при ее исследовании с помощью АСМ. Использовался также поверхностно-чувствительный метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии [10], позволяющий in situ контролировать качество поверхности по изменению интенсивности фотоэмиссионного тока образца GaN(0001) при адсорбции адатомов Cs. В данном случае адсорбция использовалась в качестве метода зондирования качества подложки. Более подробно результаты фотоэмиссионных исследований будут опубликованы отдельно.

Серия отжигов продолжительностью 15 min проводилась в высоком вакууме (P 10-10 Torr) при температурах 700, 780, 850, 900, 950C. Температура отжига измерялась с помощью термопары WRe5–WRe20 и отпического пирометра PYRO. Ошибка в определении температуры не превышала 20C.

2. Экспериментальные результаты АСМ-изображения морфологии поверхности эпитаксиальных слоев GaN c разной степенью упорядоченности мозаичной структуры в исходном состояРис. 2. АСМ-изображение поверхности (вверху) и профиль шероховатости (внизу) эпитаксиального слоя GaN(0001). Образец II. = -0.335.

нии до отжига в вакууме представлены на рис. и 2. Степень упорядоченности мозаичной структуры исследованных образцов определялась путем обработки АСМ-изображений методами мультифрактального анализа [9,11]. Кратко алгоритм сводится к следующим операциям.

1) АСМ-изображения аппроксимируются с помощью современных средств ввода и обработки изображений в графические файлы ВМР-формата в режиме bitmap.

2) Полученное изображение аппроксимируется цифровым множеством путем разбиения анализируемого изображения на элементарные ячейки, содержащие темные и светлые точки (пиксели), которым присваиваются соответственно значения 1 и 0. Затем проводится разбиение квадратной сеткой на более крупные ячейки. Используя математический аппарат, развитый для цифровых множеств, можно построить производящую функцию меры, с помощью которой описывается распределение множества в каждой ячейке, причем мера выбирается так, что меры разных ячеек самоподобны.

Рис. 1. АСМ-изображение поверхности (вверху) и профиль шероховатости (внизу) эпитаксиального слоя GaN(0001). Об- Такой подход позволяет более точно, чем в случае одной разец I. = -0.32. выбранной для всего множества меры, численно описыФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. 982 Г.В. Бенеманская, А.И. Бесюлькин, М.С. Дунаевский, А.К. Крыжановский, Н.М. Шмидт Рис. 3. АСМ-изображение поверхности и профиль шероховатости эпитаксиального слоя GaN(0001). Образец I после термическогo отжига в вакууме при 950C. Размер поля: a —3.5 3.5 µm, b —1 1 µm.

вать особенности сложных объектов. Следует подчерк- теральными размерами 1000 nm, которые нарушают нуть, что набор корреляционных функций, получаемый рост по ступеням.

После термического отжига в вакууме АСМ-исслев процессе аппроксимации, позволяет устанавливать дования показали, что заметные измерения морфологии связи между отдельными частями сложной структуры и поверхности этих слоев начинаются при различных их место в целом множестве через такие мультифрактемпературах: для более совершенного образца I — при тальные параметры, как степень нарушения общей и 950C, для менее совершенного образца II — при 780C.

локальной симметрии, а также степень упорядоченности При этом для обоих образцов наблюдается аналогичная структуры в целом.

тенденция в характере модификации морфологии поДанные мультифрактального анализа показывают, что верхности. На рис. 3, a, b пpиведена морфология поверхдля более совершенного образца I (рис. 1) с шерохованости более совершенного образца I после термического тостью поверхности меньше чем 1 nm степень упорядоотжига при 950C. Было обнаружено сильное изменение ченности мозаичной структуры составляет = -0.32, а степени упорядоченности мозаичной структуры, отчетдля образца II (рис. 2) c шероховатостью поверхности ливо стали проявляться границы крупных и мелких 1nm = -0.335. Меньшее абсолютной значение доменов, которые до отжига были слабо выражены для образца I свидетельствует о большей степени упо(ср. рис. 1 и 3, a, b). Установлено, что величина средней рядоченности мозаичной структуры, чем для образца II.

шероховатости поверхности возрастает на порядок: от Кроме того, из АСМ изображений (рис. 1 и 2) видно, 0.5–1 nm в исходном состоянии до 40–100 nm после что для образца I характер роста близок к двумерному, отжига. Кроме того, наблюдается исчезновение росторостовые ступени при этом хорошо просматриваются.

вых ступеней. Отжиг приводит также к выделению Ga Для образца II характер роста ближе к трехмерному, на поверхности, причем его конденсация наблюдается поскольку наблюдаются крупные неоднородности с ла- на сколах слоев. Таким образом, границы доменов моФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. Термостабильность эпитаксиальных слоев GaN c разной степенью упорядоченности... заичной структуры, являющиеся областями скопления неравновесных дефектов, оказываются наиболее нестабильными при термической обработке.

Приведенные результаты показывают сильное влияние степени упорядоченности мозаичной структуры на термостабильность эпитаксиальных слоев GaN(0001).

Для эпитаксиального слоя с менее упорядоченной мозаичной структурой (образец II) температура начала деградации поверхности при термообработке в вакууме оказывается на 170C ниже, чем для образца I с более упорядоченной мозаичной структурой.

Список литературы [1] M. Razeghi, A. Rogalski. J. Appl. Phys. 79, 7433 (1996).

[2] I. Akasaki, H. Amano. Jpn. J. Appl. Phys. 36, 9A, 5393 (1997).

[3] M.A. Mastro, O.M. Kryliouk, M.D. Reed, T.J. Anderson, A. Davydov, A. Shapiro. Phys. Stat. Sol. (a) 188, 467 (2001).

[4] A.R. Smith, R.M. Feenstra. Appl. Phys. Lett. 72, 2111 (1999).

[5] L.S. Dhesi, C.B. Stagarescu, K.E. Smith, T.D. Moustakas. Phys.

Rev. B 56, 10 271 (1997).

[6] V.M. Bermudez. Surf. Sci. 417, 30 (1998).

[7] R. Chierchia, T. Bttcher, S. Figge, M. Diesselberg, H. Heinke, D. Hommel. Phys. Stat. Sol. (b) 228, 403 (2001).

[8] A.G. Kolmakov, V.V. Emtsev, W.V. Lundin, V.V. Ratnikov, N.M. Shmidt, A.N. Titkov, A.S. Usikov. Physica B 308–310, 1141 (2001).

[9] N.M. Shmidt, V.V. Emtsev, A.G. Kolmakov, A.D. Kryzhanovsky, W.V. Lundin, D.S. Poloskin, V.V. Ratnikov, A.N. Titkov, A.S. Usikov, E.E. Zavarin. Nanotechnology 12, (2001).

[10] Г.В. Бенеманская, Д.В. Дайнека, Г.Э. Франк-Каменская.

ЖЭТФ 119, 342 (2001).

[11] Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, И.Ж. Бунин. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. Научно-издательский центр „Регулярная и хаотическая динамика“, Ижевск (2001). 115 с.

Физика твердого тела, 2003, том 45, 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.