WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 8 Дефектная структура сверхрешеток AlGaN/GaN, выращенных методом MOCVD на сапфире © Р.Н. Кютт, Г.Н. Мосина, М.П. Щеглов, Л.М. Сорокин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: rkyutt@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 25 октября 2005 г.) Методами высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии исследованы дефектная структура и механизм релаксации упругих напряжений в сверхрешетках AlGaN/GaN, выращенных методом MOCVD на сапфире с предварительным нанесением буферного слоя GaN или AlGaN. На основе анализа полуширин трехкристальных мод сканирования рентгеновских рефлексов, измеренных в разных геометриях дифракции, определялась плотность различных семейств дислокаций. Показано, что для всех семейств дислокаций она растет с увеличением концентрации Al в слоях трведого раствора, но слабо зависит от периода сврехрешетки. По электронно-микроскопическим снимкам планарных и поперечных сечений определялись типы дислокаций и их распределение по глубине. Показано, что кроме большой плотности вертикальных краевых и винтовых дислокаций, зарождающихся в буферном слое и прорастающих сквозь слои сверхрешетки, наблюдаются наклонные прорастающие дислокации с большой горизонтальной проекцией и загибающиеся смешанные дислокации с вектором Бюргерса 1123 на границах между отдельными слоями сверхрешетки. Первые из них образуются на границе между буферным слоем и сверхрешеткой и снимают напряжения несоответствия между буфером и сверхрешеткой в целом, вторые способствуют частичной релаксации напряжений между отдельными слоями сверхрешетки. Для образцов с большой концентрацией Al в слоях AlGaN (> 0.4) наблюдается образование трещин, окруженных большой плотностью горизонтальных хаотических дислокаций.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № 03-02-16164 и 05-02-16137) и программой ОФН „Новые материалы и структуры“.

PACS: 81.07.-b; 61.10.Nz; 61.72.Dd; 61.72.Ff 1. Введение касается многослойных структур, в частности СР на основе нитридов, то здесь основные усилия исследоватеГетероструктуры и, в частности, сверхрешетки (СР) лей были сосредоточены на определении когерентности на основе AlGaN-GaN привлекают в последние годы СР и деформации отдельных слоев. Непосредственно повышенное внимание исследователей ввиду их пракструктура дефектов в таких системах практически не тического применения в оптоэлектронных приборах, изучалась.

работающих в фиолетовой и ультрафиолетовой областях В нашей предыдущей работе [13], посвященспектра. Физические свойства системы и характеристики ной рентгенодифракционному изучению сверхрешеток приборов на ее основе зависят от напряжений в эпитакAlGaN/GaN, определялись структурные параметры СР и сиальных слоях и структурных дефектов, возникающих анализировалось деформационное состояние отдельных в результате их релаксации.

слоев СР. В настоящей работе основное внимание уделяСлои A3-нитридов имеют большое рассогласование ется структуре дефектов, возникающих в этой системе.

параметров решетки (10% и более) относительно стандартных коммерческих подложек, на которых их выращивают. Поэтому они являются сильнонарушенными 2. Методика эксперимента кристаллическими объектами и характеризуются большой плотностью дислокаций. В настоящее время деРентгеновские измерения проводились на трехкрифектная структура пленок GaN подробно изучена. В рестальном дифрактометре с использованием плоских мозультате многих рентгенодифракционных и электроннонохроматора и анализатора, вырезанных из монокримикроскопических исследований [1–7] выявлены такие сталла Ge (отражение 111, угловое разрешение 15 ).

характерные особенности пленок GaN, как ансамбли Для структур с наиболее широкими дифракционныпрямолинейных дислокаций, прорастающих через пленку перпендикулярно гетерогранице, а также специфи- ми пиками использовался щелевой анализатор с разческая столбчатая структура с более или менее вер- решением 35. Измерялись дифракционные кривые -2- и -мод сканирования для симметричных рефлектикальными границами блоков-столбцов. Наблюдался и ряд других дефектов. Все это относилось, однако, к сов 0002 и 0004 в брэгговской, 1010, 2020 и 1120 в одиночным слоям GaN, а также AlN и InN [8–12]. Что лауэвской и 1120 в скользящей геометрии дифракции.

10 1492 Р.Н. Кютт, Г.Н. Мосина, М.П. Щеглов, Л.М. Сорокин Рентгенодифракционный анализ дефектной структуры проводился на основе методики, предложенной в [5] для изучения структурного совершенства пленок GaN.

Согласно этому подходу, дефектная структура характеризуется компонентами ei j несимметричного тензора микродисторсии (из-за изотропности базисной плоскости (0001) в кристаллах с гексагональной вюрцитной структурой число независимых компонент равно 5) и двумя размерами областей когерентного рассеяния tz, tx — соответственно перпендикулярно и параллельно поверхности пластины. Эти семь величин определяются из анализа уширения рефлексов, измеренных в трех симметричных геометриях дифракции: брэгговской, лауэвской и скользящего падения. Тогда уширение каждого рефлекса в двух направлениях (вдоль дифракционного Рис. 1. Полуширина СР (0)-сателлита из дифракционных вектора H и по нормали к H) связано лишь с одкривых - и -2-мод сканирования в брэгговской и лауэвской ной компонентой ei j и одним размерным параметром. геометрии в зависимости от периода СР. Cu K-излучение.

Сплошные линии — брэгговское отражение 0002 (угол Бэгга Для их разделения в каждой геометрии измерялись 17.3 для GaN), штриховые — Лауэ-отражение 1010 (угол рефлексы двух порядков и использовалась их различная Брэгга 16.2). Светлые точки — значения для -2-моды, зависимость от брэгговского угла [5]. Таким путем из темные — для -моды.

кривых симметричных брэгговских отражений определялись ezz, ezx, tx, tz, из симметричной Лауэ-геометрии — exx, exz, tz, tx, из кривых в скользящей геометрии дифракции — exy, exx, tx. Компоненты микродисторсии связаны с разными семействами прямолинейных дислокаций [5]. В частности, нормальные к поверхности винтовые дислокации вносят вклад только в компоненту ezx, т. е. уширяют только -кривую в симметричной брэгговской геометрии. С другой стороны, перпендикулярые дислокации чисто краевого типа влияют только на Лауэ-дифракцию и кривые в скользящей геометрии (на компоненты exx и exy). Используя известные формулы блочной модели кристалла [14], из комбинации различных компонент тензора микродисторсии можно оценить плотность отдельных семейств дислокаций [5].

Рис. 2. Полуширина СР (0)-сателлита из дифракционных 3. Экспериментальные результаты кривых - и -2-мод сканирования в брэгговской и лауэвской геометрии для СР. AlGaN/GaN в зависимости от содержания Al в слоях AlGaN. Сплошные линии — брэгговское отражение 3.1. Р е н т г е н о в с к а я д и ф р а к т о м е т р и я. Для 0002 (Cu K-излучение, угол Брэгга 17.3 для GaN), штриховсех исследованных образцов трехкристальные кривые вые — Лауэ-отражение 1020 (Mo K-излучение, угол Брэгга -2-сканирования в брэгговской геометрии содержат 12.8). Светлые точки — значения для -2-моды, темные — ряд сателлитов вплоть до пятого порядка. Из аналидля -моды.

за их пиковой или интегральной интенсивности были определены геометрические параметры и деформации СР [13]. Уширение, перпендикулярное дифракционному вектору (-мода), одинаково для сателлитов разного ношения, которые характерны и для одиночных слоев порядка. Что касается их ширины в направлении H, A3-нитридов, а именно: w-2 (Bragg)

Непосредственно из экспериментальных кривых разных Полный набор данных (пять компонент тензора мимод сканирования следует, что для значений полуши- кродисторсии и размеры областей когерентного расрин w дифракционных пиков имеют место те же соот- сеяния) для некоторых образцов с разным периодом Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Дефектная структура сверхрешеток AlGaN/GaN, выращенных методом MOCVD на сапфире Таблица 1. Компоненты тензора микродисторсии и размеры областей когерентного рассеяния, полученные из анализа рентгенодифракционных данных Номер Период, x ezz, 10-4 ezx, 10-4 exx, 10-4 exz, 10-4 exy, 10-4 tz, µm tx, µm образца 1055 53 0.28 4.4 10.3 9.0 4.6 19 0.7 0.1054 129 0.31 5.3 11.4 6.9 3.6 > 1 0.1051 281 0.30 4.7 11 6.2 4.0 0.75 0.1044 470 0.31 2.9 11.3 5.4 3.4 29 0.9 0.1075 142 0.51 9.5 20.1 9.8 10.5 22 0.3 > Таблица 2. Плотности различных семейств дислокаций (в единицах 108 cm-2), полученные из рентгенодифракционных данных Номер Прорастающие Прорастающие Краевые Горизонтальные образца винтовые краевые в малоугловых границах 1055 4.1 11 12 2.1054 5.6 6.7 18 1.1051 4.9 7.8 15 2.1044 5.4 8.6 12 1.1075 14 2.1 4.6 и содержанием Al приведен в табл. 1. Для образ- Несколько иная тенденция имеет место при увелицов с содержанием x = 0.3 имеют место характерные чении содержания Al в СР (образцы № 1044 и 1075).

Здесь имеет место увеличение всех компонент, кродля большинства нитирдных слоев соотношения между ме exy, т. е. увеличение плотности всех дислокаций.

компонентами микродисторсии (exx > ezz и ezx > exz ), Примерное равенство компонент exx и ezz для образца что является свидетельством преобладания прорастаюс наибольшей концентрацией Al позволяет предполощих винтовых и краевых дислокаций (или смешанных).

жить, что для данного образца имеет место не тиИз табл. 1 следует, что изменения полуширины мод пичная структура с прямолинейными дислокационными сканирования (рис. 1, 2) в зависимости от периода и ансамблями, перпендикулярными гетерогранице, а боконцентрации Al связаны в основном с увеличением лее хаотичное распределение дислокаций по толщине.

плотности дислокаций. Значения, оцененные по Правда, большое значение ezx свидетельствует о том, компонентам микродисторсии, приведены в табл. 2. При что система прямолинейных винтовых дислокаций сооценке плотности горизонтальных дислокаций на основе храняется и в этом образце. В компоненту exy основкомпонент ezz и exz предполагалось, что горизонтальные ной вклад вносят вертикальные краевые дислокации, фрагменты дислокаций являются краевыми с обоими объединяющиеся в стенки и обеспечивающие разво значениями вектора Бюргерса 1/3 1120 и 0001.

рот отдельных областей (столбцов) вокруг нормали к Из табл. 2 видно, что для серии образцов с одинаповерхности. Уменьшение exy с ростом x, вероятно, ковым содержанием Al плотность вертикальных диссвязано с уменьшением вероятности образования талокаций в пределах точности ее определения одиких стенок при более хаотичном распределении дислонакова: (4-6) · 108 cm-2 для винтовых дислокаций, каций.

(8-10) · 108 cm-2 для краевых и (1.2-1.5) · 109 cm-2 Интересно отметить, что размер когерентной области для дислокаций в стенках, т. е. не зависит от периода СР.

в нормальном направлении значительно больше периода Как и для большинства эпитаксиальных слоев с вюрцитСР, что естестенно (иначе отдельные слои были бы ной структурой, число прорастающих краевых дислоканекогерентными между собой и мы не наблюдали бы ций в несколько раз больше, чем винтовых. В то же сателлитов на дифракционных кривых). Однако он убывремя оценка плотности горизонатльных дислокаций вает как с уменьшением периода, так и с увеличением дает большее значение для образца с наименьшим песодержания Al. Скорее всего, он во многом зависит от риодом СР. Это может быть объяснено тем, что данные плотности семейств горизонтальных дислокаций.

дислокации — горизонтальные участки, образующиеся в Эти выводы подтверждаются и анализом формы дирезультате загибания прорастающих дислокаций между фракционных пиков. Напомним, что в литературе в субслоями СР, а число таких границ, разумеется, тем основном считается, что дислокационные системы выбольше, чем меньше период СР при одинаковой общей зывают гауссовское уширение рентгеновских дифрактолщине СР. ционных отражений [14–16]. Измеренные в настоящей Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1494 Р.Н. Кютт, Г.Н. Мосина, М.П. Щеглов, Л.М. Сорокин интенсивности ближе к функции Лоренца. Учитывая, что в кривые -моды брэгговской дифракции основной вклад вносят прорастающие прямолинейные винтовые дислокации, а уширение -кривых симметричных Лауэотражений может быть вызвано только горизонтальными дислокациями, можно говорить о более хаотичном распределении горизонтальных дислокаций или их фрагментов по сравнению с вертикальными дислокациями.

Для образца с наибольшим содержанием Al в слоях СР форма уширенных дифракционных пиков становится близкой к лоренцовской функции, что указывает на сильно неупорядоченное распределение дислокаций в этом образце.

При сравнении параметров, полученных для СР (из 0-сателлита) и буферного слоя, можно заметить следующее. Пики рефлексов буферного слоя, как правило, немного шире и содержат более протяженные хвосты. Если аппроксимировать форму пиков функцией Войта, то для дифракции от буферного слоя вклад лоренцовской составляющей больше, чем для пиков СР.

Это может быть объяснено меньшей толщиной буфера по сравнению с общей толщиной СР и вкладом очень сильно нарушенной тонкой области вблизи границы сапфир–буферный слой.

3.2. Электронно- микроскопические исслед о в а н и я. На рис. 4, a, b представлены изображения поперечного сечения структуры СР с периодом и содержанием Al в слоях AlxGa1-xN x = 0.3. Изображения получены в отражении g =[0004] вблизи оси Рис. 3. Пики -сканирования для СР (0)-сателлита (темные зоны [1120]. Видны прямолинейные дислокации большой точки) и буферного слоя GaN (светлые точки) (образец плотности ( 109 cm-2) (D1), которые прорастают из № 1051) для брэгговского отражения 0002 (a) и Лауэбуферного слоя и пронизывают всю структуру перпенди отражения 1120 (b). Пики от буферного слоя и СР совмещены кулярно слоям СР. Анализ изображений, полученных в по высоте. Пунктирные линии — аппроксимация с помощью двух отражениях, показал, что это дислокации винтовоВойт-функции с параметрами, указанными на рисунке (wG го, краевого и смешанного типов (с векторами Бюргерса и wL — полуширины гауссовской и лоренцовской составля соответственно b = 0001, 1/3 1120 и 1/3 1123 ). Как ющих соответственно).

известно, такая дислокационная структура характерна для эпитаксиальных слоев A3-нитридов, выращенных на сапфире [7–9].

Pages:     || 2 |



© 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.