ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 9, с. 1153-1157
УДК 621.385.833
РОСТ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК GaAs, GaN И НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР GaAs/QWs InGaAs НА ПОДЛОЖКАХ Si С БУФЕРНЫМ СЛОЕМ Gе
© 2012 г. Ю. Н. Бузынин1, В. Г. Шенгуров2, Б. Н. Звонков2, А. Н. Бузынин3, О. И. Хрыкин1, М. Н. Дроздов1, Ю. Н. Дроздов1, С. А. Денисов2
E-mail: yury_buzynin@mail.ru
Найдены условия получения методом химического газового осаждения с горячей проволокой (HW-CVD) при низкой температуре (350°С) зеркально гладких, однородных по площади буферных слоев Ge на подложках Si(100) и (111). Методом МОГФЭ при пониженном давлении на новых буферных слоях получены монокристаллические однородные гладкие пленки GaN и GaAs, а также низкоразмерные структуры GaAs/QW InGaAs/GaAs/QWInGaAs/GaAs/Ge/Si. Установлено, что квантовые ямы имеют интенсивную фотолюминесценцию, сравнимую по интенсивности с полученными на подложках GaAs.
ВВЕДЕНИЕ
Si, GaAs и GaN — основные материалы современной электроники. В течение многих лет исследователи пытаются объединить их на подложке Si, у которого есть несомненные преимущества, благодаря малому удельному весу, хорошей теплопроводности, большим размерам и низкой цене. Решение проблемы позволит заменять дорогие подложки GaAs, Al2O3 и SiC и объединять опто-электронные устройства, созданные на основе GaAs и GaN с хорошо развитой кремниевой электроникой. Однако трудно вырастить пленки GaAs и GaN хорошего качества непосредственно на подложке Si из-за большого несоответствия параметров решеток и большого различия в коэффициентах теплового расширения подложки и пленки.
Путь решения проблемы лежит в разработке буферных слоев и оптимизации условий роста. Из буферных слоев для роста GaAs на Si больше всего известны градиентные буферные слои GeSi, а для пленок GaN —буферные слои AlN, Al2O3, SiC, Si3N4. Недавно рост пленок GaN высокого структурного совершенства был продемонстрирован на подложках Ge [1]. Это говорит о перспективах применения буферных слоев Ge для эпитаксии GaN. Для эпитаксии GaAs на Si наиболее известны градиентные буферные слои GeSi, позволяющие перейти к верхнему слою чистого Ge, параметр решетки которого близок к GaAs. Суще-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород.
2 Научно-исследовательский физико-технический институт, Нижний Новгород.
3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики имени А.М. Прохорова РАН, Москва.
ственный недостаток градиентного буферного слоя состоит в том, что он должен быть достаточно толстым (10 мкм). Это приводит к большой шероховатости его поверхности, что требует химико-механической полировки для последующего роста ОаА [2].
В данной работе рассматривается возможность выращивания из металлоорганических соединений пленок ОаА и ОаМ на подложках с помощью разработки и использования тонких и гладких буферных слоев Ое, полученных при низких температурах методом химического газофазного осаждения с горячей проволокой (Н^СУО).
ЭКСПЕРИМЕНТ
Рост буферных слоев Ое
Рост буферных слоев Ое проводился методом Н'^СУЭ на установке с базовым давлением ~10-8 Торр. В качестве подложек использованы пластины монокристаллического кремния п-ти-па проводимости с ориентацией (100), (111) и удельным сопротивлением 4.5 Ом • см. Пластины имели размер 75 х 10 х 0.5 мм и нагревались пропусканием тока. Атомарный поток кремния создавали сублимацией монокристалла этого элемента. Для этого источники вырезали из слитков кремния в виде брусков сечением 4 х 4 мм и длиной 90 мм. Источники крепились на охлаждаемых водой токовво-дах и нагревались пропусканием тока. На одной из позиций источников была установлена пластина из тантала размером 80 х 5 х 0.5 мм.
Перед процессом эпитаксиального наращивания источники и подложка подвергались отжигу в течение 10 мин при температурах 1350 и 1250°С соответственно.
1154
БУЗЫНИН и др.
91 92 93 94 95 26
27
28
20, град
Интенсивность, с 1 105 104 103 102 101 100
0
100 200 300
0 100 200 300 Время напыления, с
Рис. 1. XRD Q/2Q сканы буферных слоев Ge: a — однослойный (Ge на монолитной подложке) и двухслойный (Ge/пористый (P) слой Si/Si) буфер; температура роста 650°С; б — однослойный буфер Ge; температура роста 400°С.
Для выращивания слоев Ое в камеру роста напускали герман до давления 10-3—5 • 10-6 Торр, которое поддерживали постоянным в процессе роста слоя с помощью системы напуска газа. Одновременно Та-полоску нагревали до Т = 1200°С. Во избежании разложения германа на испарителях титана после предэпитаксиального отжига подложки и источников сублимационные насосы выключали и рост слоев проводили при откачке камеры роста только диффузионным и форвакуумным насосами. Отметим, что напуск германа до такого высокого давления (~10-3 Торр) в установках МЛЭ с электронно-лучевым нагревом невозможен.
Следует также отметить, что давление германа в камере роста условно отождествляется нами с показаниями ионизационного вакуумметра ВИТ-2. Тем не менее указанные особенности в измерении давления ОеН4 не мешали нам достаточно контролируемо выращивать слои Ое.
Наращивание эпитаксиальных структур АШВУ (ОаК, ОаАв, 1пОаАв), на подложках 81 с буферным слоем проводили методом металлоорганиче-ской газофазной эпитаксии (МОГФЭ). В качестве материалов источников использовали тримети-лгаллий (Оа(СН3)3), триметилиндий (1п(СН3)3), арсин (АвН3) и аммиак (КН3). Газом-носителем служил водород, очищенный через палладиевый фильтр. Для получения слоев ОаАв кроме метода МОГФЭ использовали также метод лазерного напыления.
Структурные и электрофизические параметры полученных структур исследовали с использованием методов оптической и электронной микроскопии, отражательной дифракции быстрых электронов, вторичной ионной масс-спектроско-пии, рентгеновской дифрактометрии и фотолюминесценции.
Рис. 2. Послойный ВИМС анализ структур Ge/Si: a — Ts - 400°C, б - Ts - 650°C.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Буферные слои Ое
Первоначально рост слоев Ое проводили при Т = 650°С. Слои имели низкое кристаллическое совершенство и шероховатую поверхность. Буферный слой был неоднороден по составу, содержал твердый раствор Ое—81. Установка дополнительного Та-нагревателя вблизи подложки, а также оптимизация условий осаждения позволили снизить температуру роста слоев Ое до 350°С, получить буферные слои чистого Ое, а также улучшить структуру и морфологию слоев. XRD-спек-тры слоев Ое, полученных при различной температуре, приведены на рис. 1.
Исследования, проведенные с помощью послойного ВИМС-анализа, показали, что снижение температуры эпитаксии от 650°С до 400°С приводит к получению слоев с однородным распределением Ое по толщине и значительно более резкому концентрационному профилю Ое и 81 на гетерогранице (рис. 2).
Рентгенодифракционные исследования свидетельствуют о том, что слои Ое, полученные при Т = 400°С представляют собой по структуре эпи-таксиальный мозаичный монокристалл почти чистого Ое (99 ± 2%) в состоянии, близком к полной релаксации упругих напряжений. Ширина кривой качания на половине высоты (Б^НМш) для буферных слоев Ое составляет 0.24° (рис. 3). Электронографические исследования буферных слоев Ое говорят об отсутствии посторонних слоев и высоком структурном совершенстве поверхностной области буферного слоя (рис. 3), что является очень важным моментом для последующей эпитаксии слоев ОаМ.
Исследования с помощью Та1у8игГ подтверждают, что буферные слои Ое имеют однородную зеркально гладкую поверхность (рис. 4). Шероховатость слоев Ое толщиной ~0.3 мкм не превышает 0.6 нм. Данные значения шероховатости соответствуют лучшим значениям, описанным в литературе [3, 4]. Хорошая морфология поверхности —
одно из необходимых условий, позволяющих использовать слой в качестве буферного.
Пленки GaN
Выращивание пленок GaN на подложки с новым буферными слоями проводилось методом МОГФЭ при пониженном давлении (76 Торр). Для удаления окисла со слоя Ge применялся отжиг в водороде при T = 900°C. При этой же температуре проводился и рост пленки GaN. Получены монокристаллические однородные гладкие пленки GaN, имеющие хорошую адгезию с подложкой. XRD-спектр, а также вид поверхности пленки приведены на рис. 5.
Важно отметить, что применение буферных слоев Ge позволило снизить температуру роста монокристаллических пленок GaN до 900°С, в то время как типичные температуры роста с другими буферными слоями составляют обычно 1000— 1100°С. Рост GaN происходит непосредственно на слое Ge и не требует осаждения дополнительных буферных слоев. Снижение температуры эпитаксии, а также близость коэффициентов теплового расширения буферного слоя и гетероэпи-таксиальной пленки позволяют рассчитывать на улучшение качества материала, в частности на повышение толщины не имеющих трещин пленок GaN, на подложках Si.
Пленки GaAs
На подложках Si c буферным слоем Ge методом MOGVD получены монокристаллические пленки GaAs, а также низкоразмерные структуры с квантовыми ямами InGaAs.
Вид XRD Q/2Q scan через асимметричные рефлексы Si(404), GaAs(404) и Ge(404) от плоскостей, наклоненных к поверхности на 45°, приведен на рис. 6.
На спектре присутствует пик подложки ~106.7°, сильный пик слоя GaAs ~101°, и на его плече — слабо заметный пик Ge. Кривая качания (ю-скан, рис. 7) с узкой щелью перед детектором в позиции пика GaAs дает FWHM ю = 0.075°, которое является одним из лучших значений, описанных в литературе [5, 6].
Пик GaAs заметно сдвинут с позиции неде-формированного кристалла. Расчет по двум рефлексам: (004) и (404) показал, что слой GaAs растянут в плоскости роста.
Поверхность пленки GaAs довольно гладкая с отдельными точками, ламелями и линейными дефектами (рис. 8). Среднеквадратичная шероховатость в области, где нет сильных дефектов, составляет 2.4 нм.
Полученные значения шероховатости являются рекордными для пленок GaAs, выращенных на
ю,град
Рис. 3. XRD ю-скан (а) и электронограмма от поверхности буферного слоя Ое (б) на подложке 81(111). FWHMю слоя Ое = 0.24°.
nm 5.2 4.8 4.4 4.0 3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1
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.