КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 3, с. 471-476
ПОВЕРХНОСТЬ, ^^^^^^^^^^^^^^ ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 538.911, 538.975, 548.58
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МЕТАМОРФНЫХ НЕМТ-НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР In0.7Al0.3As/In0.7Ga0.3As/In0.7Al0.3As, СОДЕРЖАЩИХ РАЗНОПЕРИОДНЫЕ СВЕРХРЕШЕТКИ В МЕТАМОРФНОМ БУФЕРЕ
© 2014 г. Г. Б. Галиев, С. С. Пушкарёв, А. С. Орехов*, Р. Р. Галиев, Е. А. Климов,
П. П. Мальцев, Р. М. Имамов*
Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН, Москва
E-mail: s_s_e_r_p@mail.ru * Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: imamov@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 17.12.2013 г.
Представлены результаты исследования электрофизических характеристик и структурных параметров метаморфных НЕМТ-наногетероструктур In07Al03As/In07Ga03As/In07Al03As, эпитаксиально выращенных на подложках GaAs (1 0 0). Был использован линейный метаморфный буфер с внедренными внутрь него рассогласованными сверхрешетками с разным числом периодов. Методом просвечивающей электронной микроскопии показано, что увеличение числа периодов сверхрешеток от 5 до 30 способствует улучшению совершенства кристаллической структуры. При этом электрофизические параметры метаморфных НЕМТ-наногетеростурктур также существенно улучшаются.
DOI: 10.7868/S0023476114030102
ВВЕДЕНИЕ
Метаморфные НЕМТ (high electron mobility transistor) наногетероструктуры InAlAs/InGaAs/In-AlAs на подложках GaAs с высоким содержанием In являются наиболее перспективным материалом для сверхвысокочастотной электроники. Благодаря большей технологичности подложек GaAs по сравнению с подложками InP метаморфные НЕМТ (МНЕМТ) наногетероструктуры на GaAs успешно конкурируют с НЕМТ-наногете-роструктурами на подложках InP [1]. Одной из основных проблем в технологии МНЕМТ-нано-гетероструктур является получение высоких значений подвижности электронов в квантовой яме (КЯ). На подвижность электронов большое влияние оказывают дефекты, в частности дислокации, возникающие при релаксации упругих напряжений в метаморфном буфере (МБ) и прорастающие в область КЯ. Кроме того, поверхность выращенной МНЕМТ-наногетероструктуры обладает характерным волнообразным поперечно-полосатым рельефом, возникающим при релаксации накопленных в МБ упругих напряжений [2, 3]. Морфология поверхности вместе с подвижностью электронов и их двумерной концентрацией влияют на свойства и характеристики СВЧ-приборов, изготовленных на таких наногетероструктурах. Поэтому получение структурно совершенных МНЕМТ-наногетероструктур на подложках GaAs
с требуемым составом является актуальной задачей.
Как известно, структурные и электрофизические характеристики выращенной МНЕМТ-на-ногетероструктуры сильно зависят как от технологических условий роста, так и от конструкции МБ. Под конструкцией МБ обычно понимают характер изменения химического состава МБ в зависимости от толщины МБ (линейное или ступенчатое увеличение мольной доли 1п с толщиной), наличие или отсутствие инверсной ступени в конце МБ, содержание внутри МБ дополнительных инверсных ступеней или сверхрешеток.
Сверхрешетки, выращенные после релаксиро-ванного эпислоя, насыщенного дислокациями, способны препятствовать проникновению прорастающих дислокаций в лежащие выше слои, заставляя их изгибаться и распространяться в боковом направлении [4—8]. Также об этом эффекте говорят как о "фильтрации" или "блокировке" прорастающих дислокаций.
В настоящей работе исследовано влияние введенных внутрь МБ напряженных сверхрешеток {1пОаАз/1пА1А8} с разным числом периодов на структурные и электрофизические характеристики МНЕМТ-наногетероструктур. Для этого при одинаковых технологических условиях были эпи-таксиально выращены и исследованы наногете-роструктуры с одинаковым составом и разным
количеством периодов сверхрешеток. Отметим, что в литературе отсутствуют данные об использовании подобных сверхрешеток непосредственно внутри МБ.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
МНЕМТ-наногетероструктуры (образцы) были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке ЦНА-24 на подложках GaAs с кристаллографической ориентацией (1 0 0) ± ± 0.5° (фирма Wafer Technology Ltd.). Номинальная плотность прорастающих дислокаций для этих подложек составляет менее 5 х 103 см-2.
Активная область выращенных наногетеро-структур представляет собой КЯ In0.75Ga0.25As, ограниченную барьерами In0.70Al0.30As. Между подложкой и активной областью сформирован линейный МБ InxAl1- xAs, внутрь которого введены две рассогласованные сверхрешетки
{In(x - Ax)Ga1 - (х - Ax)As/In(x + Ax)Al1 - (х + Ax)As}. Образцы А содержали две 5-периодные сверхрешетки внутри линейного МБ, а образцы Б - две 30-периодные сверхрешетки. Метаморфный буфер завершался инверсной ступенью и заглаживающим слоем. Поскольку увеличение числа периодов сверхрешеток в образце Б увеличивает суммарную толщину МБ, толщина линейной части МБ была уменьшена в 1.2 раза. В табл. 1 представ-
Таблица 1. Конструкция исследуемых МНЕМТ-нано-гетероструктур
Слой Толщина, нм t, °C
1п075Оа0 25А8 (защитный слой) 7.3 470
1п0.70А10.30А5 (барьер) 22
5^1
1п070А1030А (спейсер) 6.4
1п0 75Оа0 25А (канал) 16.4
1п070А1030А8 (заглаживающий слой) 161 400
1п0.75А10.25Ая ^ 1П0.70А10.30АБ (инверсная ступень) 46
^0.71^0.30^ ^ 1п0.7зА10^ (МБ) 80 (70)**
*SLЗ {Ino.6oGao.4oAs/Ino.75A1o.25As} {3.4/5.6}
1п0.45А10.55А^ ^ 1п0.70А10.30А^ (МБ) 430(360)**
*SL2 {1п0 350а0.б5АБ/1п0.50А10.50АБ} {3.2/3.6}
1п0.05А10.95А^ ^ 1п0.45А10.55А^ (МБ) 680 (570)**
SLl {А10.52Оа0 48АБ/ааАБ} {2.4/1.4} 590
ОаАя 34
ОаА (подложка)
* В образце А данная сверхрешетка содержит 5 периодов, в образце Б — 30.
** В скобках данные для образца Б.
лена схема исследуемых образцов. Давление мышьяка во время эпитаксиального роста для всех выращиваемых наногетероструктур было одинаковым (6—8 х 10-6 Торр). Данные о температуре выращивания отдельных слоев наногетерострук-тур приведены в табл. 1.
Плотность дислокаций в подповерхностном слое оценивалась путем подсчета ямок травления на поверхности. В качестве травителя использовался раствор HF : HNO3 : H2O с концентрациями (1 : 3 : 6) и (1 : 3 : 7) [9, 10]. Ямки травления визуализировались с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) на оборудовании Raith 150-TWO с использованием детектора вторичных электронов при ускоряющем напряжении 10 кВ. Поскольку при этом регистрируются вторичные электроны, возникшие после прохождения первичных через некоторую толщину материала исследуемого образца, такой режим РЭМ предпочтителен при исследовании пористых и зернистых структур.
Микро- и наноструктура МНЕМТ-гетерострук-тур исследовалась методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), электронной дифракции и высокоразрешающей электронной микроскопии на микроскопе TITAN 80-300 (FEI, США) при ускоряющем напряжении 300 кВ. Поперечное сечение гетероструктуры InAlAs приготавливалось методом механической шлифовки с помощью абразивных суспензий с последующим утонением ионами Ar+ на установке PIPS (Gatan, США). Анализ дислокационной структуры проводился по стандартной методике в двухлучевом приближении.
Электрофизические параметры образцов — подвижность электронов и их двумерная концентрация — оценивались с помощью эффекта Холла четырехконтактным методом Ван дер Пау.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Как известно [11], одним из методов выявления дислокаций является селективное химическое травление, когда за счет искажения кристаллической решетки в местах выхода дислокаций на поверхность скорость травления отличается от скорости травления матричного кристалла. Обычно при травлении монокристаллов GaAs в местах выхода дислокаций на поверхность образуются крупные ямки травления характерной геометрической формы [12]. В отличие от описанной ситуации при травлении метаморфных наногете-роструктур из-за достаточно малой толщины эпи-таксиальных слоев и их большой насыщенности дислокациями образовались цепочки мелких сливающихся ямок и микроразломов, визуализирующихся при РЭМ-анализе как темные пятна и линии [13].
Образцы подвергались травлению в растворе ОТ : Н^3 : Н20 (1 : 3 : 6) в течение 1.5 мин (I тип травления), а также в растворе HF : HNO3 : Н20 (1 : 3 : 7) — 3 мин (II тип травления). Перед травлением образец в течение минуты промывался в де-ионизованной воде, затем в течение минуты в слабом растворе Н3РО4 для удаления поверхност-
ных окислов, потом в течение минуты в деиони-зованной воде. После травления образец также в течение минуты промывался в деионизованной воде.
На рис. 1 приведены РЭМ-изображения поверхности образцов до травления, а на рис. 2 — после. Из рис. 1 видно, что до травления поверх-
Рис. 2. РЭМ-изображения поверхности образцов А (а, в) и Б (б, г) после травления (а, б — I тип травления; в, г — II тип травления).
Рис. 3. Картины дифракции электронов на границе раздела подложка/пленка образцов А (а) и Б (б).
ности образцов выглядели примерно одинаково, на них наблюдался характерный для МНЕМТ-на-ногетероструктур волнообразный поперечно-полосатый рельеф (cross-hatch) [3]. Рисунок 2 указывает на то, что образовавшаяся после травления морфология поверхности принципиально различается для образцов А и Б. На поверхности образцов А многочисленные ямки и микроразломы расположены вдоль линий двух взаимно перпендикулярных направлений. На поверхности образцов Б ямки расположены преимущественно вдоль линий одного направления, одновременно в этом направлении наблюдаются параллельные ряды зубчатых выступов. Исходя из анализа морфологии после травления, можно сделать вывод, что ямки и микроразломы образуются преимущественно вдоль прямоугольной сетки дислокаций несоответствия.
Образец А демонстрирует визуально большую плотность ямок по сравнению с образцом Б. Оцененная по рис. 2 плотность ямок и микроразломов на поверхности образца А составляет ~1 х 108 см-2, а для образца Б ~4 х 107 см-2.
Исследования структурного совершенства образцов проводились методами дифракции электронов и ПЭМ на поперечных сечениях образцов. Препараты для проведения исследований были приготовлены по методике, аналогичной описанной в [14].
На рис. 3 предст
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.