ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 4, с. 511-516
УДК 621.385
ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПЛЕНКИ СОЕДИНЕНИЙ AmBv НА ПОДЛОЖКАХ И БУФЕРНЫХ СЛОЯХ ФИАНИТА
© 2009 г. Ю. Н. Бузынин1, М. Н. Дроздов1, А. Н. Бузынин2, В. В. Осико2, Б. Н. Звонков3, Ю. Н. Дроздов1, А. Е. Парафин1, А. В. Мурель1, О. И. Хрыкин1, А. Е. Лукьянов4, Ф. А. Лукьянов4, Р. А. Сеннов4
E-mail: buzynin@lst.gpi.ru
На фианитовых подложках методом МОГФЭ получены эпитаксиальные пленки GaAs, GaSb, AlGaAs и InGaAs, а также многослойные гетероструктуры AlGaAs/InGaAs/GaAs для PHEMT-полевых транзисторов. На подложках Si и GaAs с простым однослойным (фианит) и двойным (фианит на пористом Si и GaAs) буферными слоями выращены пленки различных соединений АШВУ, в том числе GaN. Установлено, что использование двухслойного буфера улучшает структурное совершенство и однородность пленок АШВУ. Показано, что фазовым составом пленок GaN можно управлять с помощью соответствующего буферного слоя. Установлено, что использование двухслойного буфера повышает электрическую однородность и снижает электрическую активность дефектов в пленках GaN.
ВВЕДЕНИЕ
Фианит как подложечный материал и буферный слой для эпитаксии соединений AmBV имеет ряд преимуществ перед другими диэлектриками: высокие изолирующие свойства (1012 Ом ■ см при 300 К), химическая стабильность, благоприятные кристаллохимические характеристики и оптическая прозрачность в широком диапазоне длин волн, включая видимый [1, 2]. Использование вместо кристаллов фианита его тонких слоев на подложках GaAs позволит снять ограничения на размер структур и понизить их стоимость. Кроме того, структуры на эпитаксиальных подложках фианит/Si и фиа-нит/GaAs характеризуются более высокой теплопроводностью в сравнении со структурами на монолитных фианите и сапфире. Тонкие слои фианита и близких к нему твердых растворов (например, Zr(Ce)O2) могут быть использованы также в качестве материала изолирующих слоев, альтернативных SiO2, SiC, Si3N4, при создании многослойных структур полупроводник-диэлектрик. Фианит является также хорошим подзатворным диэлектриком, имея высокое значение диэлектрической постоянной. Слои фианита служат барьером для диффузии примесей и обеспечивают снижение токов утечек в приборных структурах на 2-3 порядка [3, 4].
1 Институт физики микроструктур Российской академии наук, Нижний Новгород.
2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва.
3 Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород.
4 Московский государственный университет им. М.В. Ломо-
носова.
Первые результаты по росту эпитаксиальных пленок соединений АШВУ на фианитовых подложках представлены в [1, 2]. Пленки ваАв, 1пАв, ваК и других соединений АШВУ наращивали на фианитовых подложках [1, 2, 5], а также на подложках кремния и арсенида галлия с буферным слоем фианита [6, 7] методом металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ), включая способ "капиллярная эпитаксия". С применением этого способа были получены на фианитовых подложках образцы структурно совершенных эпитаксиальных пленок соединений АШВУ субмикронной (до 0.1 мкм) толщины, обладающие высокими электрофизическими параметрами [1, 2, 5]. В [8] на фианитовых подложках ориентации (001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии с плазменной стимуляцией азота при температуре 400-490°С были выращены гетероэпитаксиальные пленки 1пК кубической структуры.
В настоящей работе исследуются особенности получения пленок методом МОГФЭ, а также характеристики пленок и многослойных структур различных соединений АШВУ на подложках и буферных слоях фианита.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Наращивание эпитаксиальных структур АШВУ (ваЛв, ваБЬ, АЮаАв, ¡пваАв и ваК) осуществляли методом МОГФЭ при пониженном давлении на установке с вертикальным реактором, изготовленной в ИФМ РАН, и установке А1х1гоп (А1Х 200КБ), в том числе с применением техники "капиллярная эпитаксия". Нагрев подложек индукционный. Источниками ва, 1п, А1, Ав и N служили триметилгал-лий, триметилиндий, триметилалюминий, арсин и
аммиак соответственно. Использовались подложки фианита ориентации (111) и (100), а также подложки и ваЛв с однослойным (фианит, пористый материал) и двухслойным (фианит на пористом материале) буфером.
Сравнительное изучение эпитаксиальных пленок и многослойных структур соединений АШВУ проводилось с использованием методов оптической и электронной микроскопии, вторичной ионной масс-спектроскопии, рентгеновской дифрактомет-рии и фотолюминесценции. Исследования электрической активности дефектов проводили методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) в режимах вторичной электронной эмиссии, наведенного тока и индукционно зарядовой ЭДС.
ПЛЕНКИ СОЕДИНЕНИЙ АШВУ НА ФИАНИТЕ
Исследования показали, что сплошные слои ваЛв на фианите можно получить лишь в очень узком интервале условий эпитаксии. В частности, необходимый для этого температурный интервал 550-600°С. Минимальная толщина сплошного слоя составляла при этом 1.5-2.0 мкм. Эпитаксиальные пленки имели поликристаллическую структуру и шероховатую поверхность.
Улучшения структурных и электрофизических свойств пленок ваЛв удалось достичь использованием способа "капиллярная эпитаксия". Суть способа состоит в первоначальном нанесении тонкой (менее 50 нм) пленки элемента III группы на поверхность фианита, насыщение ее компонентом V группы с образованием тонкого сплошного эпи-таксиального слоя соединения АШВ^ После этого пленку доращивают до требуемой толщины при обычных условиях эпитаксии. Использование капиллярных сил на первой, гетероэпитаксиальной,
Таблица 1. РНЕМТ-гетероструктура на фианите
п+ ОаЛэ : 81 п81 = 6 ■ 1018 см-3 40 нм
г-Л1хОа1 _ дЛэ х = 0.24 (>0.23) 25 нм
¿-ОаЛз ~0.6 нм
5-81 п81 = 4.5 ■ 1012 см-2
г-ОаЛ8 ~0.6 нм
г-Л1хОа1 _ дЛэ х = 0.24 4 нм
г-баЛе 1 нм
г-1пуОа1 _ уЛэ у = 0.18 (<0.2) 11 нм
г-ааДз 30 нм
г-Л1хОа1 _ дЛэ х = 0.24 50 нм
г-ОаЛз п < 8 ■ 1014 см-3 0.5-0.8 мкм
СР ЛШ/ааЛз (1 нм/2 нм) х 5
Фианитовая подложка 400 мкм
стадии формирования пленки ваЛв привело к улучшению качества эпитаксии.
Электронно-микроскопические исследования пленок ваЛв на начальных стадиях роста показали, что переход от стандартного МОГФЭ-выращи-вания к использованию капиллярной эпитаксии приводит к смене механизма роста. Трехмерный островковый механизм меняется на двумерный слоевой механизм с распространением ступеней роста. Этот результат аналогичен случаю графоэпитак-сии из водных растворов с добавлением поверхностно-активных веществ, где повышение смачиваемости подложки также существенно улучшало качество графоэпитаксии. В обоих случаях на начальной стадии процесса, благодаря действию капиллярных сил, уменьшается высота кристаллизационной среды (расплава или раствора). Это препятствует росту эпитаксиальных зародышей в направлении нормали к поверхности подложки и способствует их росту в тангенциальном направлении. В результате повышается ориентирующая роль подложки, обеспечивается переход к послойному механизму роста пленки, уменьшается высота ступеней роста. Как следствие, снижается минимальная высота сплошного слоя и улучшается структурное совершенство образующейся эпитаксиальной пленки.
Использование капиллярной эпитаксии обеспечило уменьшение до 0.05 мкм минимальной толщины сплошной пленки ваЛв/фианит, улучшение ее структурного совершенства и морфологии поверхности. Способ капиллярной эпитаксии оказался эффективным также для получения пленок других соединений AШBV на фианите [5, 6]. В результате этим методом на фианитовых подложках были выращены гетероэпитаксиальные пленки ваЛв, 1пхЛв, 1пва1 - хЛв (х = 0-1), Л1хва1 - хЛв, ваК и ваЛв1 _ хКх (х = 0-0.01) толщиной 0.05-3 мкм.
МНОГОСЛОЙНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ваАз, АЮаАв, 1пваАз НА ФИАНИТЕ
На подложках фианита ориентации (111) и (100) на установке "Л1хИ"оп" были получены многослойные гетероструктуры ЛЮаЛвДпОаЛв/ОаЛв в соответствии с топологической схемой РНЕМТ-структуры для полевых транзисторов диапазона 10-40 ГГц (табл. 1).
Рост структуры начинался со сверхрешетки Л1Лв/ОаЛв (1 нм/2 нм) х 5. Данная сверхрешетка должна была выполнять роль фильтра, препятствующего проникновению дефектов, в первую очередь прорастающих дислокаций, в вышележащие слои. В результате на фианитовых подложках ориентации (001) диаметром 50 мм были выращены многослойные гетероструктуры ЛЮаЛв/ ШваЛв/ваЛв с однородной, слегка матовой поверхностью. Шероховатость этой поверхности,
определенная с помощью оптического интерференционного микроскопа "Та^игР' (Англия), составила 0.25 мкм.
Для снижения шероховатости поверхности РНЕМТ-гетероструктуры разработана серия буферных слоев ваБЬ, ваАв^Ь на подложках фианита ориентации (111) и (100). Рентгенодифракцион-ные исследования этих буферных слоев свидетельствуют об их монокристаллической структуре (рис. 1). Слои имеют однородную, зеркально гладкую поверхность с шероховатостью в пределах 5 нм (рис. 2). Применение разработанных буферных слоев позволило достичь зеркально гладкой однородной поверхности, получаемой на подложках фианита гетероструктуры АЮаАв/ГпОаАв/ОаАв, и 10-кратного снижение ее шероховатости до значений 0.025 мкм.
Структурное совершенство многослойных РНЕМТ-гетероструктур АЮаАв/ГпОаАв/ОаАв на фианите исследовали методом рентгеновской ди-фрактометрии. Съемка на дифрактометре ДРОН-4 с монохроматором ве(004), излучение СиКа . Щели на первичном пучке 0.1 х 1 мм, на отраженном 0.25 х 4 мм. Пошаговое сканирование 0/20 с шагом 0.03° по углу 20. На рис. 3 приведен рентгеновский дифракционный 0/20-спектр многослойной РНЕМТ-структуры ваАв (001)/фианит (001). Регистрируется пик подложки (7г,У)02 (004), 20 = 73.4° и пик от буферного слоя ваАв (004), 20 = 66.05°. Ширина кривой качания пика слоя FWHMЮ = 1°, что свидетельствует о мозаичной структуре слоя ваАв.
Послойный анализ гетероструктур АЮаАвДп-ОаАв/ОаАв на фианите проводили методом вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС) на установке ТОБ 81М8-5 (Германия). Эта установка предоставляет возможность получения детальной информации об элементном и молекулярном составе поверхности и о
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.