научная статья по теме ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ V2O5 НА КИНЕТИКУ ТЕРМООКСИДИРОВАНИЯ GAAS, СОСТАВ И МОРФОЛОГИЮ ВЫРАЩЕННЫХ ПЛЕНОК Химия

Текст научной статьи на тему «ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ V2O5 НА КИНЕТИКУ ТЕРМООКСИДИРОВАНИЯ GAAS, СОСТАВ И МОРФОЛОГИЮ ВЫРАЩЕННЫХ ПЛЕНОК»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 11, с. 1228-1232

УДК 539.23:546.681 '19:542.9

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ V2O5 НА КИНЕТИКУ ТЕРМООКСИДИРОВАНИЯ GaAs, СОСТАВ И МОРФОЛОГИЮ ВЫРАЩЕННЫХ ПЛЕНОК

© 2015 г. Е. В. Томина, Б. В. Сладкопевцев, И. Я. Миттова, Л. С. Зеленина, А. И. Донцов, Н. Н. Третьяков, Ю. Н. Гудкова, Ю. А. Белашкова

Воронежский государственный университет e-mail: inorg@chem.vsu.ru Поступила в редакцию 23.03.2015 г.

Установлены кинетика и механизм термооксидирования гетероструктур VxOy/GaAs, синтезированных нанесением геля V2O5 из аэрозоля на полупроводник, состава и морфологии поверхности сформированных оксидных пленок. Оксидирование исследованных образцов осуществляется по транзитному механизму, что подтверждается отсутствием регенерации ванадия в степени окисления +5 (данные РФА) и кинетическими параметрами процесса. По данным РФА, сформированные пленки содержат оксид ванадия (IV), оксиды галлия, мышьяка и арсенат галлия, что позволяет корректно описывать оптические постоянные дисперсионной формулой Коши и с высокой точностью проводить эллипсометрические измерения. В результате термооксидирования гетероструктур VxOy/GaAs формируются пленки с высотой рельефа поверхности, не превышающей 57 нм.

DOI: 10.7868/S0002337X15110123

ВВЕДЕНИЕ

Наноразмерные слои оксидов переходных металлов на поверхности арсенида галлия являются эффективными хемостимуляторами процесса оксидирования полупроводника [1]. У205 на 1пР в зависимости от метода нанесения (жесткого или мягкого) обусловливает различный механизм термооксидирования полупроводника и, в конечном итоге, свойства формируемых наноразмер-ных пленок [2, 3]. Пентаоксид ванадия, магне-тронно нанесенный на поверхность ОаАз, предопределяет развитие процесса оксидирования по каталитическому механизму [4]. Использование геля У205 позволяет осуществлять мягкое модифицирование поверхности полупроводника при невысоких температурах и малых энергиях. Взаимодействие между слоем нанесенного хемости-мулятора и компонентами подложки до начала термооксидирования гетероструктуры практически отсутствует.

Цель работы — установление кинетики и механизма термооксидирования гетероструктур У^О^/ОаАз, синтезированных в мягких условиях, состава и морфологии поверхности сформированных оксидных пленок.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Гель оксида ванадия (V), синтезированный по методике, представленной в [2], диспергировали, используя компрессорный диспергатор, обеспе-

чивающий получение аэрозоля с размером капель раствора до 4—5 мкм. Осаждение аэрозоля осуществляли на охлаждаемые элементом Пельтье полупроводниковые пластины GaAs марки АГЧО (111) с концентрацией основных носителей заряда при 300 K 5 х 1016 см-3, n-типа проводимости, предварительно обработанные травителем состава H2SO4 ("х. ч." Г0СТ-4204-77, 92.80%) : Н2О2 ("ос. ч." ТУ 6-02-570-750, 56%) : Н2О = 5 : 1 : 1 в течение 10 мин и многократно промытые в биди-стиллированной воде. Время осаждения составило 3 мин. Образцы высушивали на воздухе. Для кристаллизации аморфных пленок и удаления воды образцы подвергали отжигу на воздухе в режиме 300°С, 120 мин в печи резистивного нагрева МТП-2М-50-500 с точностью регулировки температуры ±1°С (ОВЕН ТРМ-10).

Сформированные гетероструктуры VxOy/GaAs оксидировали в кислороде (30 л/ч) при температурах 500, 530, 550 и 570°C в течение 60 мин с контролем прироста толщины пленок через каждые 10 мин методом лазерной эллипсометрии (ЛЭФ-754, X = = 632.8 нм, абсолютная погрешность ±1 нм). Этим же методом определяли и толщину осажденных оксиднованадиевых слоев. С целью контроля данных лазерной эллипсометрии на спектральном эл-липсометре Эллипс-1891 [5] снимали зависимости эллипсометрических параметров от длины волны и решали обратную задачу с использованием дисперсионной модели Коши [6]. Морфологию по-

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ V2O5

1229

24 -

21 -

л

í-ч

18

15

12

450

500

550

600

650 700 X, нм

750

800

850

123 118 113

р.

108 103 98 93

88

900

Рис. 1. Измеренные (кривые 1, 2) и рассчитанные (кривые 3, 4) по модели Коши спектры эллипсометрических параметров ¥ (кривые 1, 3) и А (кривые 2, 4) для образца У^Оу/ОаЛБ, оксидированного в режиме 500°С, 60 мин.

верхности образцов исследовали методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе Solver P47 Pro (NT-MDT) с кантилевером HA_NC Etalon в полуконтактном режиме. Элементный состав оксидных пленок на GaAs и распределение компонентов по толщине исследовали методом оже-электронной спектроскопии на спектрометре ЭСО-3 с анализатором DESA-100, точность ±10%, применяя методику послойного травления пленок ионами аргона. Фазовый состав пленок определяли методом рентгеновского фазового анализа (РФА) на ди-фрактометре ARL X'TRA (CuKa1 с к = 1.540562 Á).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По данным спектральной эллипсометрии для оксидированных гетероструктур У,.Оу/ОаЛз наблюдается хорошее совпадение экспериментальных спектров эллипсометрических параметров Т и А с рассчитанными (рис. 1). Что свидетельствует о корректном описании моделью Коши оптических постоянных исследуемых оксидных пленок [7]. Согласно используемой модели, пленки, сформированные оксидированием гетероструктур У-ОуОаАз, в длинноволновой области являются прозрачными.

В результате обработки кинетических данных процесса оксидирования гетероструктур УО/ОаЛз с использованием уравнения d = (кг)" [8] установлено, что показатель "ср равен 0.59, а эффективная энергия активации (ЭЭА) составляет 77 кДж/моль (рис. 2), что несколько меньше ЭЭА собственного оксидирования арсенида галлия (110 кДж/моль). Значение "ср свидетельствует о реализации преимущественно диффузионного контроля, когда

ln Кср

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

y = -77.51* + 21.11

1.0

0.215 0.220 0.225 0.230 0.235 0.240 0.245 0.250 0.255

1000/ЯГ

Рис. 2. Аррениусовская зависимость усредненной константы скорости процесса оксидирования гетеро-структур У^Оу/ОаЛБ.

Данные РФА для оксидированных гетер о структур У^О/СаАз

Режим оксидирования Фаза

550°С, 20 мин 3.2483 СаАз

4.0366, 3.2483 Аз2Оэ

2.3679 Са2О3

3.2483, 1.6264 Л«2

3.5683 СаАзО4

550°С, 60 мин 3.2489 СаАз

3.2489, 1.6265 Л«2

3.5740 СаАзО4

лимитирующей стадией процесса является диффузия галлия из подложки в пленку. Хотя при термооксидировании гетероструктур ^О^/СаА наблюдается некоторое снижение ЭЭА по сравнению с собственным оксидированием СаАз, говорить о каталитическом воздействии ^О5 вряд ли возможно. Для процессов хемостимулированного оксидирования полупроводников АШВ\ осуществляющихся по каталитическому механизму, характерно снижение величины ЭЭА в несколько раз, а в данном случае значение ЭЭА остается величиной того же порядка. Значения ускорения темпа прироста пленок при оксидировании УО/СаАз по сравнению с собственным оксидированием СаАз, рас-

считываемые по формуле Ь =

А^О/ОаА - АйОаА

А й.

СаАз

где ДdСaAs — изменение толщины оксидной пленки при оксидировании чистого арсенида галлия, а АО /оаА, — изменение толщины оксидной пленки

Аз

Са

Время травления, мин

Рис. 3. Оже-профили распределения элементов в образце У^Оу/ОаАз после оксидирования в режиме 550°С, 60 мин.

при оксидировании гетероструктуры УО/СаА за вычетом толщины нанесенного слоя хемостиму-лятора, составляют порядка 40—50%.

Согласно данным РФА, наносимый на поверхность полупроводника слой геля ^О5 после отжига содержит оксиды ванадия ^О5 и УО2 [2]. Хотя для получения геля использовали кристаллический ^О5, в котором катионы ванадия имеют степень окисления только 5+, появление катионов является необходимым фактором стадии гелеобразования при протекании золь-гель-процесса [9]. После оксидирования отожженной гетероструктуры У-Оу/СаАз в пленках фиксируются оксиды галлия и мышьяка (таблица), а также СаАзО4, являющийся вторичным продуктом их взаимодействия. Ванадий находится в виде УО2. Отсутствие в пленках ^О5 свидетельствует о том, что цикл регенерации ванадия в высшей степени окисления о У^ не осуществляется, что является характерным признаком протекания процесса по транзитному механизму [10]. Таким образом, данные РФА коррелируют с кинетическими характеристиками процесса и подтверждают действие ^О5 в ходе оксидирования как транзи-тора, облегчающего передачу кислорода компонентам подложки.

Анализ элементного состава пленки, выращенной термооксидированием У-Оу/СаАз при 550°С в течение 60 мин (рис. 3), позволяет сделать вывод о том, что галлий и ванадий в пленке находятся преимущественно в виде оксидов, что коррелирует с данными РФА. Наличие на внешней границе раздела компонентов подложки (галлия и мышьяка) подтверждает их диффузию в нанесенный на поверхность СаАз слой хемостимуля-тора. Содержание мышьяка на протяжении всей пленки практически в два раза ниже, чем галлия, что объясняется испарением летучего компонента в виде оксидов в процессе оксидирования.

Исследование морфологии поверхности образцов методом АСМ показало, что поверхность не-оксидированной гетероструктуры УО/СаА после отжига имеет зеренную структуру со средним размером зерен порядка 100 нм (рис. 4а, 4б). При этом зерна произвольно ориентированны и имеют изотропную форму без кристаллической огранки. Средняя шероховатость составляет 1.9 нм, максимальная высота рельефа — порядка 29 нм. Особенностью мягкого метода нанесения хемостимуля-тора на поверхность полупроводника является возможность формирования наноструктуриро-ванных пленок путем изменения режима термического отжига, как это было показано в [2].

Изменение морфологии пленки в процессе оксидирования (рис. 4в, 4г) связано с образованием продуктов взаимодействия хемостимулятора с компонентами подложки, а также рекристаллиза-

воздействие поверхностных наноразмерных слоев v2o5

1231

(а)

2.0 1.5 1.0 0.5 0

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 I 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0

25

20 Н 15 10 -5 -0.25

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 мкм

(в)

5040 30 20 10 Н 0

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 мкм

нм 18

16

14

м

1 12 10

8 6

нм 12

10

8

6

4

2

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Плоскость, мкм

(

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