научная статья по теме ВЫРАЩИВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ GAAS НА ПОДЛОЖКАХ NISB Химия

Текст научной статьи на тему «ВЫРАЩИВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ GAAS НА ПОДЛОЖКАХ NISB»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 2, с. 121-125

УДК 548.522:539.23

ВЫРАЩИВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ GaAs НА ПОДЛОЖКАХ NiSb

© 2015 г. С. А. Айтхожии, А. С. Артемов, П. С. Белоусов, М. А. Бобылев, Е. В. Каевицер,

В. Е. Любченко, К. П. Петров, Ю. Ш. Темиров, С. Б. Фарафоиов

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Поступила в редакцию 20.05.2014 г.

Исследованы условия выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия на поверхности монокристаллов №$Ь с металлическим типом проводимости. Эпитаксиальные слои арсенида галлия выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии в режиме, используемом для получения го-моэпитаксиальных структур. Исследования структуры и морфологии пленок ОаАз показали, что в процессе роста происходит переход от текстурированного поликристалла к более упорядоченному слою с четко выраженной на электронограмме системой точечных рефлексов, что свидетельствует о наличии эпитаксиального процесса.

БО1: 10.7868/80002337X15010017

ВВЕДЕНИЕ

Арсенид галлия в настоящее время является одним из наиболее важных полупроводниковых материалов, используемых для создания приборов СВЧ и оптоэлектроники. Технология выращивания монокристаллов и тонкопленочных структур ОаАз хорошо развита и постоянно совершенствуется. Тонкие слои получают в процессе эпитаксиального роста на подложках из полуизолирующего (для приборов планарной геометрии) либо сильно легированного (для приборов вертикального типа) арсенида галлия. В последнем случае омическое и тепловое сопротивления подложки являются основными факторами, ограничивающими частотные и мощностные характеристики приборов. Для уменьшения последовательного электрического и теплового сопротивления материал подложки приходится сильно легировать, а ее толщину уменьшать вплоть до потери механической прочности. После этого структуру присоединяют к хорошо электро- и(или) тепло-проводящему материалу (медь, сапфир, карбид кремния, алмаз), что существенно усложняет технологию изготовления приборов, но не решает проблему радикально.

Известны попытки вырастить эпитаксиальные слои ОаАз на монокристаллических подложках из тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена), которые не увенчались успехом. Это объяснялось несоответствием параметров кристаллической решетки металла и ОаАз, а также отличием коэффициентов теплового расширения. В то же время существует большой класс материалов (интерме-

таллидов), обладающих металлической проводимостью и параметрами, необходимыми для использования их в качестве подложек при выращивании эпитаксиальных слоев ОаАз. Выбор этого класса материалов дает основание рассчитывать в перспективе на возможность выращивания качественных эпитаксиальных слоев ОаАз на подложках с металлическим типом проводимости для создания на их основе СВЧ-приборов (диодов с барьером Шоттки, диодов 1анна), а также фотоэлектрических преобразователей, светодиодов и др.

В настоящей работе исследовались условия выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия на поверхности монокристаллов №8Ъ — интерметаллида с металлическим типом проводимости. Перспективность использования №8Ъ в качестве материала подложек для выращивания эпитаксиальных слоев ОаАз обсуждалась ранее в [1—3]. При этом руководствовались следующими соображениями: близость периодов кристаллических решеток арсенида галлия в плоскости (111) и антимонида никеля в плоскости (0001); доступность и дешевизна исходных компонентов — никеля и сурьмы — достаточно высокой чистоты; существование на диаграмме состояния только одного соединения №8Ъ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методика изготовления подложек №8Ъ и свойства их поверхности. Слитки монокристаллического №8Ъ длиной 200—230 мм и диаметром 15— 20 мм, выращенные по методу Бриджмена [2],

122

АЙТХОЖИН и др.

нм

2000

1600 -

1200 -

800

400

0 500 1000 1500 2000 2500 нм

Л/ч

0

-1500 -1000 -500 0 500

нм

Рис. 1. АСМ-изображение и сечение рельефа поверхности NiSb после ХМП.

ориентировались рентгеновским методом вдоль направления [0001] и разрезались на пластины толщиной 1.5-2 мм на станке Алмаз-6 диском с внутренней режущей кромкой. Пластины наклеивались смолой на специальный полированный сапфировый план для обработки на станках в автоматических режимах или вручную. Шлифование проводилось на стеклянном шлифовальнике водными суспензиями порошка электрокорунда ЭБМ10 на станке СД-150. После удаления слоя материала толщиной 70-100 мкм с одной стороны образцы полировались на том же станке на полировальнике из политекса, искусственной замши или сатина алмазными пастами ACM 3/2 в течение 20-30 мин на глубину порядка 40-50 мкм до получения необходимой плоскостности и удаления нарушений, внесенных шлифованием. Вторая сторона подвергалась тем же операциям.

Для финишной обработки были применены нейтральные дисперсии детонационных наноалма-зов (ДНА) с размером частиц 130, 60, 25 и 3-5 нм. Обработка проходила на станке ПД-200 со скоростью вращения стола = 20 об/мин, другие режимы характерны для механической обработки. Контроль в оптическом микроскопе МБС-10 пока-

зал, что воздействие нейтральных композиций ДНА на политексе имеет одинаковый характер и удаляет дефекты, внесенные на стадиях предварительной обработки. При давлении 20-30 кПа и применении алмаза с размером частиц 60 нм скорость съема не превышает 1-2 мкм/ч; на зеркальной поверхности наблюдаются микро- и наноца-рапины.

На втором этапе финишной обработки подложек применялось химико-механическое полирование (ХМП) химически активными композициями аморфных частиц SiO2 размером 5-20 нм (colloidal silica) со скоростью съема 0.2-0.4 мкм/мин. Полированная зеркальная поверхность подложек не имела микро- и наноцарапин, шероховатость (Ra и rms) составляла меньше 0.5 нм (рис. 1).

Совершенство приповерхностной области подтверждено методом резерфордовского рассеяния ядер Не+ на ускорителе Ван-де Грааф в НИИЯФ МГУ при энергии 2.3 МэВ: параметр Nt, характеризующий аморфизацию поверхности без нано-царапин, указывает на то, что глубина рассеивающих центров, лежащих вне узлов решетки кристаллов, имеет минимальные значения порядка 5 нм, в то время как полирование суспензиями ДНА вносит нарушения в виде наноцарапин и аморфизацию на глубину порядка 12 нм [3].

На рис. 2 приведена электронограмма с поверхности подложки из монокристалла NiSb после предэпитаксиальной подготовки.

По рефлексам на электронограмме видно, что структура полученных слитков NiSb, выращенных методом Бриджмена, является монокристаллической.

Методика выращивания эпитаксиальных слоев GaAs на подложках NiSb. Наращивание слоев ар-сенида галлия проводилось на двухкамерной установке молекулярно-лучевой эпитаксии, изготовленной в ФГУП "НПП "Исток", снабженной шлюзовым устройством.

Подложка из антимонида никеля крепилась на специальном держателе и помещалась в ростовую камеру установки через шлюз. Давление остаточных газов в ростовой камере 5 х 10-8 Па. Перед началом роста положки отжигались в потоке паров мышьяка при температуре поверхности 500°C. Эпитаксиальные слои арсенида галлия выращивались в режиме стандартных условий роста со скоростью 1 мкм/ч, характерном для получения гомоэпитаксиальных структур [4]: температура источника галлия 980°C, температура источника мышьяка 240°C. Температура поверхности подложки изменялась в диапазоне от 480 до 600°C,

0

Рис. 2. Электронограмма с поверхности кристалла NiSb.

Рис. 3. Электронограммы с поверхности пленок ОаАз, выращенных при температуре подложки 450 (а), 520°С (б).

толщина выращенных слоев ОаАз составляла от 1 до 2 мкм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование фазового состава и кристаллической структуры пленок ОаАз на подложках №8Ъ проводили методом РФА с использованием ди-фрактометра ДРОН-3 на СиХ"а-излучении. Проводили количественный фазовый анализ, определяли параметры кристаллической структуры (периоды решеток, размер блоков, микродеформации).

Исследования структуры и морфологии выращенных пленок, а также анализ химического состава проводили на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) и просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ).

Электронограммы слоев, полученных при различных температурах подложек во время эпитак-сиального роста, представлены на рис. 3.

Как видно из рис. 3, при повышении температуры поверхности подложки происходит переход от текстурированного поликристалла к более упорядоченному слою с четко выраженной системой точечных рефлексов, что свидетельствует о нали-

124

АИТХОЖИН и др.

Рис. 4. Поперечное сечение образца с нанесенной пленкой: а, б — изменения структуры по толщине образца подложка/пленка, в — электронограмма промежуточного слоя, г — электронограмма с поверхности образца.

чии эпитаксиального процесса. Можно предполагать, что за счет увеличения скорости поверхностной диффузии при повышении температуры имеет место формирование островковых зародышей и их коалесценция с последующим ростом слоя арсенида галлия по механизму Фольмера— Вебера [5].

С помощью ПЭМ изучали поперечное сечение полученных образцов (рис. 4). Полученные пленки характеризуются высокой плотностью, отсутствием пор (рис. 4а).

На границе раздела №8Ъ/ОаА виден промежуточный слой (рис. 4а). Электронограмма промежуточного слоя (рис. 4в) состоит из комбинации рефлексов, относящихся как к монокристаллической подложке №8Ъ, так и к формирующемуся на ее поверхности слою ОаАз. На начальных стадиях роста ОаА совершенства монокристаллической подложки достаточно для того, чтобы на ее поверхности также формировался слой монокристалла. Однако с увеличением толщины (рис. 4б)

рост слоев ОаАз продолжается с формированием блочных структур. Видна четкая граница раздела между подложкой и промежуточным слоем, а также между промежуточным слоем и ОаАз. Такие границы раздела относят к полукогерентным границам, возникающим в результате релаксации эпитаксиальных напряжений. Электронограмма, полученная от поверхности пленки (рис. 4г), также показывает, что в процессе роста происходит переход от упорядоченного слоя к текстуриро-ванному поликристаллу.

Для определения глубины пр

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