научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОДЛОЖЕК ALN/САПФИР, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ НИТРИДИЗАЦИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОДЛОЖЕК ALN/САПФИР, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ НИТРИДИЗАЦИИ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2015, том 60, № 1, с. 139-143

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 539.231:535.016

ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОДЛОЖЕК AlN/СЛПФИР, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ НИТРИДИЗАЦИИ

© 2015 г. С. И. Кривоногов, А. Л. Крухмалев, С. В. Нижанковский, Н. С. Сидельникова, Е. А. Вовк, А. Т. Будников, Г. Т. Адонкин, А. Э. Муслимов*

Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков E-mail: ovovk@isc.kharkov.ua * Институт кристаллографии РАН, Москва Поступила в редакцию 25.04.2014 г.

Изучено влияние восстановительного отжига сапфировой подложки при термохимической нитри-дизации сапфира на структуру нитридного слоя темплейта AlN/сапфир. Проведены изотермические отжиги сапфировых подложек кристаллографической ориентации (0001) и (1012) при температуре нитридизации (1450°С) при различном восстановительном потенциале газовой среды. Обнаружено, что при отжиге в результате диффузии и термохимического травления сапфировых подложек происходит трансформация исходной террасно-ступенчатой структуры подложек, сопровождающаяся дроблением и слиянием ступеней, увеличением их ширины и высоты. Степень искажения ступенчатой структуры возрастает с увеличением восстановительного потенциала газовой среды и длительности отжига. Для подложек сапфира (0001) наблюдаются фигуры травления гексагональной формы. Установлено, что рельеф поверхности темплейта AlN/сапфир формируется преимущественно на начальной стадии при термохимическом травлении исходной подложки, предшествующем формированию нитридного слоя. При этом процесс трансформации сапфир— нитрид не приводит к дальнейшему увеличению шероховатости поверхности.

DOI: 10.7868/S0023476115010129

ВВЕДЕНИЕ

Сапфир является наиболее распространенным подложечным материалом для массового производства технических устройств на основе нитридов металлов третьей группы (ОаМ, 1пМ, АШ) и их твердых растворов [1—4]. Однако гетероэпи-таксия нитридов на сапфировой подложке из-за рассогласования по параметрам кристаллической решетки и коэффициентам термического расширения приводит к высокой плотности дислокаций и другим структурным дефектам [1, 4, 5]. Это значительно усложняет задачу получения гетеро-структур с высокими функциональными характеристиками. Поскольку массовое производство подложек для гомоэпитаксиального наращивания является дорогостоящим, в последнее время все большее внимание уделяется использованию модифицированных подложек сапфира с буферным нитридным слоем (темплейтов ОаМ/сапфир или АШ/сапфир), выполняющих роль собственной нитридной квазиподложки [6—8]. Авторами разработан новый метод получения темплейтов АШ/сапфир в результате нитридизации сапфира в газовой смеси Й2, СО, СО2, Н2, Н2О с низкой концентрацией СО2 и Н2О [9]. Метод позволяет получать на поверхности сапфира как полярные (АШ (0001)//А1203 (0001), АШ (0001)//А1203 (1120)),

так и полуполярные (АШ (1013)//А1203 (0001)) и

неполярные (АШ (1120)//А1203 (1012)) кристаллические слои АШ толщиной от 20 нм до нескольких микрон с полушириной кривой качания менее 0.5°. Установлено, что их структурное совершенство определяется кристаллографической ориентацией исходной подложки, температурой, составом среды и продолжительностью отжига [10, 11].

Обнаружены существенные различия в морфологии поверхности слоев АШ (0001), полученных на сапфировых подложках А1203 (0001) и А1203 (10 12) (рис. 1). В то же время наблюдается подобие поверхности пленки АШ и поверхности сапфировой подложки после термохимического травления [12]. В частности, на поверхности АШ (0001)//А1203 (0001) часто наблюдаются дефекты, напоминающие характерные гексагональные ямки травления на поверхности А1203 (0001) (рис. 1в). На поверхности АШ (0001)//А1203 (1120) подобные дефекты никогда не наблюдаются, причем АШ (0001)//А1203 (1120) (рис. 1г-1е) и АШ (1013)//А1203 (0001) (рис. 1и) имеют близкую морфологию, характерную для поверхностей

140

50

25

(a)

КРИВОНОГОВ и др.

(б)

1.50-

н

(в)

0.75-

V

V Р*

? ,

50-1—

25 (г)

50 0 5.0

2.5 5.0 0 (д)

0.75 (е)

1.50

й 25

0 50

25

25

50

2.5 5.0 мкм

25

50

Рис. 1. АСМ-изображения поверхности темплейтов A1N (0001)//А1203 (0001) (а-в), AlN (0001)//Al2O3 (1120) (г-е), A1N (1120)//А1203 (1012) (ж, з) и A1N (10Т3)//А1203 (0001) (и).

0

0

А1203 (1120) и А1203 (0001) после термохимического травления.

Наблюдаемые особенности могут быть обусловлены тем, что в отличие от известных методов осаждения, в которых эпитаксиальные пленки получают с использованием внешнего источника, в данном случае формирование слоя АВД является следствием растворения азота в анион-дефицитном корунде с последующими кристал-лохимическими превращениями в приповерхностном слое сапфировой подложки [11]. Поэтому образованию нитридного слоя предшествует этап восстановления корунда, сопровождающийся травлением поверхности сапфировой подложки [4]. Целью работы являлось установление закономерностей влияния восстановительного отжига сапфировой подложки на морфологию поверхности темплейтов АВД/сапфир.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для исследований использовались сапфировые подложки с кристаллографической ориента-

цией (0001) и (1012), вырезанные из монокристаллов, выращенных методом горизонтальной направленной кристаллизации в восстановительных газовых средах (Институт монокристаллов, Украина). Диаметр подложек составлял 50.8 мм, толщина 0.43 мм, угол отклонения от базовой плоскости 3-9', поверхность полировалась химико-механическим способом. Отжиг проводился при температуре 1450°С (что соответствует оптимальной температуре нитридизации) по методике, подробно описанной в [2-4]. При восстановительном отжиге использовалась газовая смесь Ar, СО, H2 (давление 0.1-0.12 МПа, концентрация Ar ~ 99, N2 ~ 0.1-0.4 об. %), при нитридизации - N2, СО, Н2 (давление 0.1-0.12 МПа, концентрация N2 ~ ~ 99 об. %). Величина восстановительного потенциала среды отжига регулировалась изменением соотношения СО2/СО и Н2О/Н2 в среде.

Морфология и шероховатость поверхности подложек из сапфира и темплейтов AW/сапфир исследовались на атомно-силовом микроскопе (АСМ) So1ver P47H PRO (NT-MDT) с кантилеве-

мкм мкм

Рис. 2. АСМ-изображения подложек из сапфира с кристаллографической ориентацией поверхности (0001) (а) и (1012) (б).

ром С8001. Все АСМ-изображения получены на воздухе в контактной моде.

После химико-механического полирования поверхность исходных подложек имела террасно-ступенчатую структуру с шириной ступеней от 30 до 140 нм. На подложках (0001) террасно-сту-пенчатая структура выражена более четко, чем на

(1012) (рис. 2). Шероховатость Яа составила 0.2— 0.4 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Восстановительный отжиг сапфировых подложек проводился в газовой среде с различным восстановительным потенциалом. Длительность от-

жига составляла 15 мин и 5 ч. АСМ-изображения поверхности подложек (0001) после отжига представлены на рис. 3, для (1012) на рис. 4.

Во время восстановительного отжига подложек А1203 (0001) в результате термохимического травления происходит трансформация исходной террасно-ступенчатой структуры, сопровождающаяся дроблением и слиянием ступеней, увеличением их ширины и высоты и деформацией кромки ступеней. При низком восстановительном потенциале после отжига 15 мин (рис. 3а, 3б) ширина ступеней составляет 0.3 мкм, шероховатость Яа = 0.49 нм. При увеличении изотермической выдержки до 5 ч наблюдается дробление тер-

2.5 5.0 0 0.5 1.0 0 0.75 1.50

мкм

Рис. 3. АСМ-изображения поверхности подложек А1203 (0001) после восстановительного отжига при низком восстановительном потенциале в течение 15 мин (а, б) и 5 ч (в), при высоком восстановительном потенциале в течение 15 мин (г, д) и 5 ч (е).

142

КРИВОНОГОВ и др.

мкм

Рис. 4. АСМ-изображения поверхности подложек А^Оз (10 12) после восстановительного отжига при низком восстановительном потенциале в течение 15 мин (а, б) и 5 ч (в), при высоком восстановительном потенциале в течение 15 мин (г, д) и 5 ч (е).

Яа = 5.3 нм 5

4

3

мкм 2

Яа = 3.3 нм

(а)

мкм

мкм

0

Рис. 5. АСМ-изображения поверхности нитридного слоя темплейта АШ (0001)//А1203 (0001) на сапфировой подложке после предварительного восстановительного отжига (а, в) и без него после химико-механического полирования (б).

расно-ступенчатой структуры с образованием островков, выстроенных в том же направлении, что и террасы (рис. 3в). При отжиге с повышенным восстановительным потенциалом происходит существенная деформация ступеней, их границы проявляются резче и форма становится зубчатой, представляя собой части фигур травления для кристаллографической ориентации сапфира (0001) (рис. 3г, 3д), ширина ступеней увеличивается до 0.8—1.05 мкм, Яа = 1.23 нм. При длительной выдержке (рис. 3е) наблюдается еще более значительная трансформация поверхности: ширина ступеней увеличивается до 1—2 мкм, шероховатость Яа возрастает до 6.1 нм. Края ступеней представляют собой части гексаэдров (рис. 3в—3е). Дробление террасно-ступенчатой структуры, увеличение ширины и высоты ступеней, деформация кромки и образование островков характерны после восстановительного отжига и для подложек А1203 (1012) (рис. 4).

Из сравнения рис. 1, 3 и 4 следует, что нитрид-ный слой повторяет террасно-ступенчатую структуру поверхности, искаженную в результате термохимического травления подложки. Исследование морфологии поверхности слоя АВД, полученного на подложках после предварительного термохимического травления, позволило установить некоторые особенности трансформации поверхности при формировании нитридного слоя. Шероховатость нитридизованного слоя составляет 3.3—6.6 нм, что практически не превышает максимальную шероховатость (6.1 нм) для сапфировых подложек после восстановительного отжига. На рис. 5 представлены АСМ-изображения

5

4

2

0

5

(a)

Ra = 6.6 нм

0.6

0.4

мкм 0.2

особенности нитридного слоя, формирующегося на краях ступеней (рис. 6б).

ВЫВОДЫ

Рельеф поверхности темплейта AlN/сапфир формируется преимущественно на начальной стадии при термохимическом травлении исходной сапфировой подложки, предшествующем формированию нитридного слоя. Нитридный слой повторяет террасно-сту

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком