WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 4 05;06;11 Структура и состав пленок нитрида галлия, полученных путем обработки монокристаллов арсенида галлия в атомарном азоте © Г.А. Сукач,1 В.В. Кидалов,2 М.Б. Котляревский,2 Е.П. Потапенко1 1 Институт физики полупроводников НАН Украины, 03028 Киев, Украина 2 Бердянский государственный педагогический институт, 71118 Бердянск, Украина e-mail: sukach@isp.kiev.ua (Поступило в Редакцию 9 сентября 2002 г.) Выращены тонкие пленки GaN на монокристаллических (001) подложках GaAs путем обработки последних в активных радикалах азота. С примерением вторичной оже-спектроскопии проанализированы профили распределения атомов основных химических элементов, входящих в состав соединений эпитаксиальной пленки GaN и монокристаллической подложки GaAs. Обнаружена существенная нестехиометрия состава пленки GaN на поверхности — избыток азота ( 9%), обусловленная присутствием в разрядной камере атомарного азота. Исследовано структурное совершенство эпитаксиальных слоев путем применения высокоразрешающей рентгеновской дифрактографии. Показано, что низкотемпературные процессы (температуры отжига меньше 700C) способствуют формированию кубической структуры тонких пленок GaN на (001) поверхности кубического GaAs, а более высокотемпературные процессы — гексагональной.

Введение стве подложек нашли широкое примерение соединения Al2O3 (базовая (рассогласование 13.9%) и другие Нитриды третьей группы (InN, GaN, AlN) и тройные плоскости роста), SiC, Si (рассогласование 4.5%), соединения на их основе формируют группу широкоAlN (рассогласование 2.5%), LiGaO2 (рассогласовазонных материалов с уникальными свойствами, которые ние 1%) и множество других материалов [1].

очень перспективны для различных применений при Наилучшим методом для получения высококачественизготовлении приборов как оптоэлектроники, так и чиных тонких пленок GaN является метод гомоэпитаксии сто электронного назначения (см. например, [1,2]). Это на подложках тех же монокристаллов GaN. Другим тиобусловлено в первую очередь меньшей вероятностью пом подложки является структура, состоящая из тонкого образования дефектов в идеальной решетке нитридов, слоя GaN, выращенного на так называемой квазиподчем в решетках арсенидов и фосфидов в связи с более ложке, в качестве которой могут служить, например, сильной связью атомов металлов с атомами азота, Si, GaAs и другие материалы, что может значительно чем с атомами мышьяка и фосфора. Такая ситуация упростить и удешевить эпитаксиальный процесс. Такая способствует повышению эксплуатационных параметров ситуация в принципе может решить и проблему буферприборов на основе нитридов: долговечности, выходной ного слоя.

мощности, рабочей частоты, термической, механичеНастоящая работа посвящена практическому выращиской, радиационной и химической стабильности, быстрованию тонких пленок GaN на подложках GaAs путем действия и напряжения питания [2].

обработки последних в активных радикалах азота и исСреди множества фундаментальных проблем, без реследованию их структурных характеристик. Необходимо шения которых невозможно повысить качественные и подчеркнуть, что оборудование для данного метода на надежностные показатели приборов опто- и микроэлекдва порядка дешевле, чем оборудование для нашедтроники на основе нитридов третьей группы, можно отметить отсутствие качественных в кристаллографи- ших широкое применение в производстве нитридных ческом (по параметру кристаллической решетки и по соединений МОС-гидридной или молекулярно-лучевой коэффициенту температурного расширения), морфоло- эпитаксий.

гическом и топологическом, структурном и электрофизическом отношении подложек и связанную с этим Образцы и методика эксперимента проблему буферного слоя. В этом направлении процессы, связанные с разработкой новых технологий модиИсходным материалом для выращивания пленок GaN фикации структуры, а также синтеза новых материалов служили монокристаллические подложки GaAs с крипри обработке монокристаллических полупроводников в сталлографической ориентацией поверхности (001), коатмосфере активных радикалов газов, вызывают значиторые шлифовали, а затем полировали тонкими алмазтельный интерс в связи с ожидаемыми перспективами ными пастами. После обезжиривания и удаления дефектих практического применения [3].

В промышленном производстве полупроводниковых ного поверхностного слоя путем травления GaAs в течегетероструктур в первую очередь на основе GaN в каче- ние 2 min в стандартном травителе H2SO4 : H2O2 : H2O— 60 Г.А. Сукач, В.В. Кидалов, М.Б. Котляревский, Е.П. Потапенко 3 : 1 : 1 и промывки в дистиллированной воде образцы помещали в камеру высокочастотного разряда. Слои GaN получали путем отжига монокристаллов GaAs в активных, т. е. способных встраиваться в растущую полупроводниковую пленку, радикалах азота, полученных в мощном высокочастотном плазменном разряде. Это привлекательная техника для выращивания сложных полупроводников, поскольку обладает простотой, дешевизной аппаратурного оформления. Детали используемого метода описаны ранее [4].

Рис. 1. Спектры оже-электронов поверхности эпитаксиальной Сложность использования азота при эпитаксиальном пленки GaN.

выращивании полупроводниковых соединений связана с большой энергией связи N2 (энергия связи в молекуле азота 9.76 eV при температурах 300-750C), не позвоповерхности образца потоком первичных электронов ляющей активировать молекулярный азот. В качестве с энергией 3 keV, которые содержат информацию об источника активации в настоящее время используются элементном составе лишь тонкого поверхностного слоя, различные виды плазменных источников с высокочастоттолщиной 0.3-0.5nm (максимум до 3 nm [6]). Соным возбуждением. В нашем случае это разряд высопоставление энергий спектральных линий вторичных кочастотного генератора с рабочей частотой 40 MHz и оже-электронов, рассеянных атомами исследуемого вемощностью до 2 kW [5]. Образование нитридов галлия щества, и известных характеристических пиков атомв условиях высокочастотного плазменного разряда свяных спектров позволили идентифицировать химическую зано с принципиальными отличиями от других методов природу атомов. Энергетическое положение, характер эпитаксии. Это обусловлено прежде всего наличием ионной компоненты в потоке осаждающихся на поверх- и форма спектральных линий свидетельствуют о том, что основными элементами, входящими в состав тонкого ность частиц. Кроме того, сами нейтральные частицы поверхностного слоя выращенных пленок, являются обладают повышенной энергией, а также находятся в атомы галлия (энергия основного пика расположена возбужденном состоянии. Эти три фактора определяют возможность получения пленок GaN практически при вблизи 1070 eV) и атомы азота (энергия пика находится комнатной температуре. вблизи 380 eV), т. е. на поверхности мы имеем тонкую Для предотвращения повреждения поверхности иона- пленку GaN. Одним из факторов, способствующих этоми азота полученная за счет высокочастотного разряда му процессу, является более высокая энергия связи в плазма проходила через сильное постоянное магнит- системе Ga–N (7eV) по сравнению с системой Ga–As ное поле для удаления ее ионной компоненты. Та- (4eV) [7].

ким образом, последующий отжиг GaAs проводился Для исследования химического состава гетерострукпреимущественно в атмосфере нейтральных, но воз- тур GaN/GaAs по толщине использовалось ионное бужденных атомов (активных радикалов) азота. Для прослойное распыление поверхностного слоя, которое измерения концентрации активных радикалов азота в позволило получить профили распределения атомов реакционную камеру помещали манометрическую лампу основных химических элементов, входящих в состав ЛТ-2 и впаивали ее таким образом, что каталитическая соединений эпитаксиальной пленки GaN и монокринить располагалась вблизи поверхности обрабатываемой сталлической подложки GaAs. На рис. 2 представлеподложки. Концентрация активных радикалов азота в ны зависимости интенсивности пиков эмиссии ожеданном методе на 4–5 порядков превышала их конэлектронов для элементов в системе Ga–N–As от врецентрацию в неактивированной атмосфере при тех же мени распыления (травления) поверхности или проусловиях. Выход активных радикалов азота в условифили распределения элементов по глубине структуры ях эксперимента достигал 15% от общего количества молекул N2; в случае аммиака эта величина была еще больше. Максимальная концентрация этих радикалов имела место при вариации давления в реакционной камере от 10-1 до 10-3 Torr.

Полученные результаты и их обсуждение Анализ элементарного состава поверхностной области эпитаксиальных пленок, полученных предложенным методом, проводился с применением электронной ожеспектроскопии. На рис. 1 представлены спектры вто- Рис. 2. Зависимость распределения химических элементов в ричных оже-электронов, измеренные путем облучения гетероструктуре GaN/GaAs от времени травления.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Структура и состав пленок нитрида галлия, полученных путем обработки монокристаллов... эпитаксиальная пленка–подложка. Из экспериментально измеренного распределения атомов химических элементов по глубине структуры эпитаксиальная пленка– подложка (концентрационного профиля) видно, что в выращенной пленке основными компонентами являются галлий и азот, причем спад последнего в подложку не очень резкий. В глубине подложки, как и должно быть, присутствуют только галлий и мышьяк. Следовательно, обработка GaAs в радикалах азота способствует тому, что на его поверхности образуется стабильный тонкий слой нитрида галлия. Такая ситуация может быть обусловлена как вытягиванием атомов галлия из объема на поверхность GaAs, с последующим вступлением его в реакцию с активными радикалами азота из газовой среды и образованием соединения GaN, так и активным испарением мышьяка из приповерхностного слоя GaAs и растущего слоя GaN в газовую среду. Резкий спад концентрационного профиля As к поверхности дает основание предполагать, что переходной слой GaAsN обеднен атомами мышьяка, а его ширина незначительна.

Кроме того, из профилограмм видно, что атомы галлия вытягиваются к поверхности сильнее, чем атомы мышьяка. Следовательно, атомы галлия играют лимитирующую роль в формировании пленок GaN.

Другим фактором, способствующим росту эпитаксиРис. 3. Рентгеновские дифрактограммы гетероструктур альных пленок GaN, являются проникновение и после- GaN/GaAs, полученные при температурах эпитаксии, C:

дующая диффузия активных радикалов азота в глубь a — 600, b — 700, c — 750.

подложки GaAs, что для тонких пленок является важным процессом, и последующий захват их возникшими вакансиями мышьяка с образованием того же монокристаллического GaAs от (002) плоскости, насоединения GaN. Вообще говоря, атомы азота могут блюдались также более широкие ассиметричные линии встраиваться не только в подрешетку мышьяка, но и вблизи 2 35 и 40, приписываемые гексагональв междоузлия, чему способствует малый радиус азота.

ной и кубической структурам GaN, т. е. происходящие В первом случае происходит уменьшение постоянной от (0002) и (002) плоскостей гексагональной и курешетки, во втором — ее практическая неизменность.

бической модификаций GaN соответственно. Так, для Необходимо обратить внимание на существенную кубической структуры постоянная решетки, полученная нестехиометрию состава пленки GaN на поверхности — из анализа позиции пиков, была близка к величине избыток азота ( 9%), что в первую очередь обу4.515±0.008, что хорошо совпадает с результатами словлено присутствием в камере атомарного азота в многих экспериментальных работ (см., например, [8]).

большом количестве, препятствующего испарению азота Полуширина пиков, не превышающая 1, свидетельиз пленки. Это свидетельствует о превалировании перствует хотя и о не очень высоком, но удовлетворительвого из вышеназванных факторов (квазиэпитаксиального ном кристаллическом качестве слоев GaN, например, механизма) выращивания тонких пленок GaN.

по сравнению с близкими к идеальным слоям GaN, Содержание азота и структурное совершенство эпиполученным молекулярно-лучевой эпитаксией, для котаксиальных слоев были обнаружены путем исслеторых полуширина не превышала 25 [9]. Из рис. дования высокоразрешающей рентгеновской дифрактовидно, что наблюдаются только пики GaN и GaAs, а не графии. Параметры кристаллической решетки (межпики предполагаемого твердого раствора GaAsN. Иденплоскостные расстояния) выращенных пленок GaN и тификация межплоскостных расстояний, соответствуюподложек GaAs определялись путем анализа угловощих дифракционным максимумам, показала, что тонкие го положения и интенсивности рентгеновских лучей эпитаксиальные пленки GaN в зависимости от техно(дифрагированных исследуемым материалом), полученлогических режимов обработки (выращивания) могут ных из рентгеновских дифрактограмм (кривых качания).

иметь как кубическую, так и гексагональную структуру.

На рис. 3 представлены рентгеновские дифрактограммы С увеличением температуры наблюдается трансформатрех образцов GaN, выращенных на (001) GaAs при ция дифракционных пиков в сторону меньших углов.

разных температурах. Помимо пиков кривых качания, Вообще говоря, из всех параметров технологического локализованных вблизи 2 32, которые соответству- режима (температура подложки, давление паров, ток ют симметричным рефлексам отражения кубического разряда, скорость роста и др.) наиболее критичным являЖурнал технической физики, 2003, том 73, вып. 62 Г.А. Сукач, В.В. Кидалов, М.Б. Котляревский, Е.П. Потапенко лась температура подложки. Причем низкотемпературные процессы (температуры отжига меньше 700C) способствуют формированию кубической структуры тонких пленок GaN на (001) поверхности кубического GaAs, описанного в литературе [10]. С нашей точки зрения, это обусловлено более низкими давлениями паров мышьяка при низких температурах по сравнению с более высокотемпературными процессами. При дальнейшем повышении температуры в реакционной камере начинает проявляться и постепенно доминировать рефлекс отражения, ответственный за формирование слоев GaN гексагональной сингонии, причем процесс проходит через равноколичественное смешивание кубической и гексагональной фаз. Такая ситуация позволяет легко управлять кристаллической структурой полученных пленок.

Таким образом, в работе показано, что отжиг монокристаллов GaAs в активных радикалах азота приводит к наращиванию тонких монокристаллических слоев GaN.

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.