ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 11, с. 1583-1587
УДК 621.385
ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПЛЕНКИ GaN НА ПОДЛОЖКАХ КРЕМНИЯ С БУФЕРНЫМИ СЛОЯМИ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА
© 2008 г. Ю. Н. Бузынин1, Ю. Н. Дроздов1, М. Н. Дроздов1, А. Ю. Лукьянов1, О. И. Хрыкин1, А. Н. Бузынин2, А. Е. Лукьянов3, Э. И. Рау3, Ф. А. Лукьянов3
E-mail: buzynin@lst.gpi.ru
Для эпитаксии GaN на подложках Si разработаны новые сложные буферные слои на основе пористого материала. Исследованы характеристики гетероэпитаксиальных слоев нитрида галлия, полученных на подложках кремния с новыми буферными слоями методом МОГФЭ. Показано, что созданные на основе пористого материала буферные слои позволяют улучшить электрическую однородность и повысить интенсивность фотолюминесценции эпитаксиальных пленок GaN на подложках Si до значений, сравнимых с соответствующими значениями для эталонных пленок GaN на подложках А1203. Установлено, что слой фианита в сложном буфере служит барьером для диффузии Si из подложки в пленку GaN.
ВВЕДЕНИЕ
Гетероэпитаксиальные пленки широкозонных соединений GaN привлекают большой интерес исследователей из-за возможности создания на их основе эффективных светоизлучающих приборов, мощных радиационно-стойких приборов для высокотемпературной электроники и высокомощных устройств, работающих при высоких температурах. Специфической трудностью выращивания эпитаксиальных пленок GaN является отсутствие промышленной технологии получения больших (>1 см) монокристаллов GaN, пригодных для изготовления подложек для гомоэпитаксии, поэтому вплоть до настоящего времени практически вынужденно используют рост GaN на инородных подложках. Из-за рассогласования решеток подложки и пленки гетероэпитаксиальные пленки GaN бывают сильно напряжены (вплоть до растрескивания), имеют, как правило, мозаичную структуру и содержат высокую плотность структурных дефектов, таких как домены и малоугловые границы, дислокации и точечные дефекты [1-3]. В связи с этим проблема выбора подложек наиболее актуальна для получения совершенных пленок азотсодержащих соединений приборного качества.
В настоящее время наиболее распространенные материалы подложек для роста эпитаксиальных пленок GaN - это сапфир и карбид кремния. Кроме высокой термической и химической ста-
1 Институт физики микроструктур Российской академии наук, Нижний Новгород.
2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва.
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
бильности при высоких температурах роста они обладают прекрасной поверхностной морфологией и высоким структурным совершенством, их можно получать в промышленных масштабах. Особый интерес для использования в качестве подложечного материала для эпитаксии нитридов представляет - основной материал полупроводниковой электроники. Его преимущества состоят в низкой стоимости, высоком качестве, больших размерах наряду с возможностью провести интеграцию базирующихся на основе ваК оптоэлек-тронных устройств с отлично развитой кремниевой электроникой.
Несмотря на огромную привлекательность кремниевой подложки, непосредственно на ней трудно вырастить высокосовершенные пленки ваК из-за большого решетчатого несоответствия (17%) и большого различия в коэффициентах термического расширения подложки и пленки (56%). Для преодоления этих трудностей обычно применяется наращивание различных буферных слоев, таких как А1203 [4, 5], [6], АШ [6-9], Б1С [10], ваК [11].
В данной работе впервые предлагается использовать сложные буферные слои на основе пористого материала для эпитаксии пленок ваК на подложках
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для повышения структурного совершенства и электрофизических параметров пленок ваК на подложках были разработаны многослойные буферные слои на основе пористого материала. Сложный буфер состоял из нижнего пористого слоя, центральной части буфера и верхнего слоя. Действие пористого слоя аналогично влиянию так
1583
1584
БУЗЫНИН и др.
Рис. 1. Частицы аморфного ЗДО^ на поверхности 81
(РЭМ, режим вторичных электронов).
называемых "податливых" подложек и позволяет снизить термоупругие напряжения в гетероэпи-таксиальной пленке полупроводника и улучшить ее структуру и морфологию [12-14]. Кроме того, как показано нами ранее [15], применение пористого буферного слоя обеспечивает повышение электрической однородности наращиваемой пленки полупроводника. Центральная часть буферного слоя включает дополнительные слои и сверхрешетки, препятствующие распространению дефектов (в первую очередь, прорастающих дислокаций) от границы подложки в приборные пленки полупроводника. Верхний слой в сложном буфере должен быть химически стойким в среде выращивания и обеспечивать тонкое кристаллохимиче-ское соответствие с пленкой ваК
Для эпитаксии пленок ваК были использованы легированные бором подложки ориентации (100), а также легированные бором или сурьмой подложки ориентации (111). Одна часть подложки была покрыта пористым буферным слоем, другая часть оставалась от него свободной. Это позволяло проводить сравнительное исследование пленок, полученных на пористой и монолитной частях одной и той же подложки при одинаковых условиях роста. Затем наносили дополнительные слои, такие как ЛШ, ваК, ЛЮаК, ЗЬ-АШ/ваК, обеспечивая создание сложного буферного слоя. Пористый слой получали методом электрохимического травления. Слои фианита в сложном буфере получали методом лазерного напыления [16], а слои ваК, ЛШ, ЛЮаК, сверхрешетки АШ/ваК, так же как и основной слой ваК методом МОГФЕ при пониженном давлении (100 Торр) в вертикальном кварцевом реакторе с индукционным нагревом подложкодер-жателя. Источниками ва, А1 и К служили триметил-галлий (ТМГ), триметил алюминий (ТМА) и аммиак (КН3) соответственно. Рост пленок ваК происходил в потоке водорода, очищенного через палладиевый фильтр.
Для сравнительного изучения эпитаксиальных пленок применяли методы оптической и электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и фотолюминесценции. Исследования электриче-
ской активности дефектов проводили методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) в режимах вторичной электронной эмиссии и индукци-онно зарядовой ЭДС (бесконтактный аналог режима наведенного тока - детектор Рау) [17].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Пленки ваК на подложках с буферным слоем фианита
Рост пленок проводился на подложках (111). На одной части подложки методом электрохимического травления был сформирован слой пористого 81 толщиной 10 мкм. На такую подложку методом лазерного напыления [16] наносили слой фианита толщиной 100 нм. Он имел однородную зеркально гладкую поверхность, хорошую адгезию с подложкой и обладал структурой мозаичного монокристалла. Структурное совершенство и фазовый состав пленок ваК исследовали методом рентгеновской дифрактометрии. Использовали дифрактометр ДРОН-4 с монохроматором из пи-ролитического графита на отраженном пучке, излучение Си^а1. Съемку проводили в схеме двух-кристального спектрометра с монохроматором ваЛв (100). Регистрировали 0/20-спектры в геометрии симметричного отражения при пошаговом сканировании с шагом 0.1°. Угол рассеяния текстуры определяли по О-спектрам (кривые качания) текстурных максимумов.
Установлено, что на начальных стадиях роста пленок ваК на подложках из-за взаимодействия с КН3 происходит образование аморфного нитрида кремния (рис. 1), который препятствует эпитаксии. Использование буферного слоя фианита исключает формирование аморфного нитрида кремния. Пленки ваК, полученные на подложках с буферным слоем фианита, имели гексагональную модификацию (а-ваК) и обладали структурой мозаичного монокристалла. Установлено также, что применение слоя пористого в сложном буфере фианит/81 позволяет улучшить адгезию слоя ваК и его однородность по толщине и фазовому составу.
Известно, что легирование пленки нитрида кремнием из подложки - одна из проблем эпитаксии ваК на Поскольку кремний является электрически активной примесью в ваК, создающей донорные уровни, это затрудняет получение материала р-типа проводимости.
На рис. 2 приведено распределение кремния Б128 в структуре ОаК/фианит/рог(шоио)81/81. Подложкой в данной структуре служила пластина (111), на одной половине которой методом электрохимического травления был сформирован слой пористого толщиной 10 мкм. На нее методом лазерного напыления был осажден слой фианита тол-
ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПЛЕНКИ ваК НА ПОДЛОЖКАХ КРЕМНИЯ
1585
щиной 100 нм, а затем методом МОГФЭ при 1100°С - слой ваК толщиной 1 мкм.
Исследование послойного распределения по толщине структуры проводили методом вторично-ионной масс-спектроскопии на установке ВИМС "Шиповник", оснащенной квадрупольным масс-спектрометром. Энергия распыляющих ионов кислорода 0+ составляла 10 кэВ, угол падения - 60° от нормали к поверхности образца. Ширина переходной области составляет около 10 нм для структур как на монолитной, так и на пористой частях подложки. Эта величина сопоставима с длиной проективного пробега распыляющих ионов с энергией 10 кэВ, что составляет предел разрешения по глубине методом ВИМС в данных экспериментальных условиях. Приведенные данные свидетельствуют о том, что буферный слой фианита на подложке является эффективным барьером для диффузии из подложки в пленку ваК
Пленки ваК на подложках
с буферным слоем АЮаК/А1К/рог(шопо)
Исследовалось влияние ориентации подложки
и типа ее легирующей примеси на морфологию и электрическую однородность слоев ваК Были использованы подложки с полировкой поверхности БР1-геаёу, ориентации (100) и (111), легированные бором или сурьмой. Шероховатость поверхности для таких подложек не превышала 1 нм. На одной половине подложки методом электрохимического травления в растворах на основе плавиковой кислоты создавали слой пористого кремния толщиной около 10 мкм. Другая часть подложки оставалась монолитной. Перед помещением в реактор подложки обрабатывали в 3%-ном растворе ИБ, промывали в деионизованной воде и просушивали на центрифуге. Затем проводили отжиг подложки в реакторе в потоке И2 при температуре 1100°С в течение 15 мин для получения чистой свободной от
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.