Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых растворов и гетероструктур на основе нитридов Al и Ga для интегральных газовых сенсоров

Залозный, Александр Николаевич

Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых растворов и гетероструктур на основе нитридов Al и Ga для интегральных газовых сенсоров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

Залозный, Александр Николаевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нальчик МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.15 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых растворов и гетероструктур на основе нитридов Al и Ga для интегральных газовых сенсоров»

Автореферат диссертации на тему "Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых растворов и гетероструктур на основе нитридов Al и Ga для интегральных газовых сенсоров"

На правах рукописи

005007142

Залозный Александр Николаевич

МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ А1И Са ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ

Специальность 01.04.15 - Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 Я Н В 2072

Нальчик-2011

005007142

Работа выполнена на кафедре «Нанотехнологии и технологии материалов электронной техники» ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет».

Научный руководитель: лауреат Государственной премии Российской

Федерации, доктор физико-математических наук, профессор ■ Бавижев Мухамед Данильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Милешко Леонид Петрович

доктор физико-математических наук, доцент Калажоков Хамидби Хажисмелович

Ведущая организация: НИИ Физики ФГОУ ВПО «Южный

федеральный университет» в г. Ростове-на-Дону

Защита состоится 16 февраля 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.11 по присуждению ученой степени доктора (кандидата) наук в ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова».

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах направлять ученому секретарю диссертационного совета КБГУ профессору Квашину В.А. по указанному адресу.

Автореферат разослан «Рх » ^¿чх^г г. Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат химических наук ^Щг^»/^ Квашин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Благодаря большим значениям ширины запрещенной зоны, высокой термической и радиационной стойкости, высоким значениям пробивных полей и поляризационных эффектов нитриды металлов третьей группы (АШ1Ч), а именно AIN, GaN и AIGaN, являются перспективными материалами для создания высокочувствительных газовых сенсоров, потребность в которых испытывают практически все сферы жизнедеятельности человека.

Несмотря на представленные выше достоинства, материалы AIUN широкого распространения в газовой сенсорике не получили. Это связано с рядом существующих проблем, одной из которых является отсутствие дешевых подложек из АШ1Ч, что приводит к необходимости выращивать данные материалы на подложках, в той или иной мере рассогласованных по параметрам кристаллических решеток и коэффициентам термического расширения, из-за чего появляются трудности эпитаксиапьного роста качественных слоев АШ!Ч.

Настоящая работа, посвящена определению влияния технологических параметров (температура подложки; поток аммиака) процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота на начальные стадии формирования и последующие стадии роста эпитаксиальных пленок AIN, GaN и AIGaN. Полученные результаты позволяют синтезировать эпигаксиальные слои AIN, GaN и AIGaN высокого качества, обладающие огромным потенциалом для создания высокочувствительных газовых сенсоров.

Цель работы.

Установление влияния технологических факторов роста эпитаксиальных слоев AIN, GaN и AIGaN методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота и исследование путей снижения среднеарифметической шероховатости поверхности растущих слоев, влияющих на электрофизические свойства гетсроструктур, применяемых в газовой сенсорике.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

-определить влияние технологических параметров процесса роста зародыше»!,[х эпитаксиальных слоев AIN, выращенных на подложках АЬО, методом молекулярно-лучевой Эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота, па морфологию поверхности;

-определить влияние технологических параметров процесса роста эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на зародышевых слоях AIN методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота, на морфологию поверхности;

-определить влияние технологических параметров процесса роста эпитаксиальных слоев AIGaN, выращенных па эпитаксиальных слоях GaN

методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота, на морфологию поверхности;

-исследовать влияние градиентных слоев на подвижность электронов в канале с двумерным электронным газом гетероструктуры AlGaN/GaN;

-определить влияние толщины активного слоя GaN в гетероструктуре AlGaN/GaN на электрофизические параметры двумерного электронного газа;

-исследовать электрофизические и газочувствительные свойства (чувствительность к Н2) разработанной гетероструктуры AIGaN/GaN и сравнить результаты с существующим аналогом. Научная новизна:

-исследована зависимость кинетики роста слоев AIN, GaN и AIGaN от технологических параметров синтеза методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота, и установлены оптимальные условия роста для этих материалов;

-впервые предложена конструкция гетероструктуры для применения в газовой сенсорике, включающая в себя градиентные слои;

-установлено влияние конструкции гетероструктуры AlGaN/GaN на подвижность электронов в канале с двумерным электронным газом. Достоверность результатов.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обусловлена непротиворечивостью и соответствием полученных результатов современным научным представлениям и эмпирическим данным, применением стандартной измерительной аппаратуры, комплексным и корректным использованием общепризнанных методик, метрологическим обеспечением измерительной аппаратуры, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, практической реализацией результатов исследований.

Практическая значимость результатов работы.

-установлены режимы процесса роста эпитаксиальных слоев GaN, AIN и AIGaN, методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота для получения слоев с минимальной среднеарифметической шероховатостью поверхности;

-разработана оптимальная конструкция гетероструктуры на основе гетероперехода AIGaN/GaN для применения в газовой сенсорике;

-получены гетероструктуры, работающие в широком диапазоне температур (от 0 до 800 °С), обладающие высокой чувствительностью к Н: (концентрация 0,5 + 10000 ррш) и временем отклика 4 е, что не менее, чем в 2 раза меньше времени отклика аналога.

Основные положения, выносимые па защиту:

-характер влияния технологических параметров процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием NH3 в качестве источника азота на рост слоев AIN, GaN, AIGaN;

• -характер влияния градиентных слоев на подвижность носителей заряда в канале с двумерным электронным газом гегероструктур AIGaN/GaN;

-статические и динамические газочувствительныс характеристики разработанных гетероструктур А1Са1У/Са1Ч, а также сравнительный анализ полученных образцов с существующим аналогом.

Реализация результатов работы.

Тематика данной работы соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденных президиумом РАН.

Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре «Нанотехнологии и технологии материалов электронной техники» ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» в рамках гранта: Мин. Образования РФ, РНП 1.2.08 «Исследование физических свойств топких пленок нитрида галлия и карбида кремния, полученных методами магнетронного распыления и вакуумного лазерного испарения».

Результаты диссертационной работы легли в основу проекта, поддержанного фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К. проект № 7963 (3) от 01.01.2008 г.

Результаты диссертационной работы легли в основу проекта, поддержанного фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе Старт № 6472р/8626 от 01.12.2011 г.

Апробация результатов исследований.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск 2009, Ставрополь, 2010 г.); всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (Домбай, 2010 г.); международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России» (Ставрополь, 2010 г.).

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 11 работ (из них 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ), в том числе: 1 патент РФ и 7 тезисов докладов на международных и российских научно-технических конференциях и семинарах, где полностью изложены основные положения диссертации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов по работе. Материал диссертации представлен на 137 страницах машинописного текста, включающий 43 рисунка, 3 таблицы и список литературы в количестве 142 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, представлена научная новизна и практические результаты работы, изложены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ основных параметров и свойств газовых сенсоров на основе гетероперехода AIGaN/GaN в диодном и транзисторном исполнении, а также показаны преимущества использования газовых сенсоров транзисторного исполнения. Приведены фундаментальные физические свойства материалов: GaN, AIN, и AIGaN. Представлен обзор работ, посвященных процессам дефектообразования слоев твердых растворов AlnN. Рассмотрена теория электронного ограничения гетероперехода AIGaN/GaN, а также механизм газовой чувствительности в данных структурах. Проанализированы основные методы синтеза твердых растворов соединений

По результатам анализа литературных данных сформулированы цели и задачи данного исследования.

Во второй главе представлены схемы технологического и исследовательского оборудования, использованного в работе, а также методики эгштаксиального выращивания и исследования свойств полученных образцов.

Технологические установки для осуществления полного цикл» процессов создания гетероструктуры AIGaN/GaN были разработаны и изготовлены в ЗАО «Научное и технологическое оборудование» (г. Санкт-Петербург). Эксперименты по созданию образцов для исследований проводились в ЗАО «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург).

Кратко рассмотрены физические принципы и техническая реализация используемых для исследования и определения характеристик материалов: сканирующей зондовой микроскопии для контроля морфологии поверхности, зондовый метод определения электрофизических параметров.

Для исследования газочувствительных характеристик полученных образцов использовалась газодинамическая установка, представленная на рисунке 1.

Основой установки являлись электронные регуляторы расхода газа (5) с пределами измерения 1,0 см3/с, установленные на четырёх идентичных газовых линиях. На всех линиях установлены также идентичные стабилизаторы давления газа (3), датчики давления газа (4) и электромагнитные запорные клапаны (6). Назначение всех указанных элементов - обеспечение установки и стабилизации расходов газов в газовых линиях газодинамической установки на заданном уровне. В процессе проведения исследований по линиям I и 2 подавалась газовая смесь азота с анализируемым газом, а по линиям 3 и 4 всегда подавался азот марки ПНГ. В качестве исходных газовых смесей использовались заводские поверочные газовые смеси IIIС азота с анализируемыми газами.

Рисунок 1 - Схема газодинамической установки для исследования газочувствительных свойств экспериментальных образцов: 1 - баллон газовой смеси азота с анализируемым газом (Н2); 2 - баллон метрологически-аттестованного азота; 3 - стабилизаторы давления газа; 4 - датчики давления газа; 5 - регуляторы расхода газа;. 6 - электромагнитные клапаны; 7 -электромагнитный переключатель газовых потоков; 8 - ручной регулятор газовых потоков; 9 - увлажнитель; 10 - камера смешения газов; 11 -гигрометр; 12 - камера с исследуемыми образцами; 13 - персональный компьютер.

Особенность применённой методики исследований и измерений параметров сенсора заключалась в возможности создания в измерительной камере одиночных или последовательности прямоугольных импульсов концентрации анализируемого газа C(t), амплитуда которых равна концентрации газа в калибровочной газовой смеси. Под воздействием этих импульсов формировались ответные сигналы сенсора в виде импульсов изменения тока /(t), которые регистрировались на экране монитора персонального компьютера (13). Это позволяло получить чистый дифференциальный эффект от воздействия концентрации газа на сенсор и одновременно оценить его динамические параметры - постоянную времени на уровне 90 % амплитуды т09. Импульсы концентрации газа формировались с помощью электромагнитного переключателя газовых потоков (7), в зависимости от положения которого в измерительную камеру с сенсором поступали чистый азот или калибровочная газовая смесь. Это имитировало создание импульсов концентрации анализируемого газа. Постоянная времени т0>9 определялась графически по диаграммам /(t) с учётом реальности процессов выравнивания концентраций при замене газовой среды. Поскольку измерительная камера была установлена непосредственно на электромагнитном переключателе газовых потоков (7), то временная задержка фронта импульса концентрации [ аза перед его входом в измерительную камеру составляла при газовом расходе 2,5 см3/с не более 0,01 с, а время прохода фронта газового потока через измерительную камеру с установленным сенсором - не

более 0,4 с. Начиная с этого момента, характер изменения импульсов /(t) определялся исключительно процессами, происходящими на поверхности газового сенсора, т. е. его свойствами.

Исследования проводились в условиях термостабилизации сенсора, характеризующихся постоянством сопротивления нагревателя и подводимой к нему электрической мощности. Нагрев сенсора и измерение его тока обеспечивалось электронным прибором, к одному из каналов которого был подключён исследуемый сенсор. Технологический процесс был полностью автоматизирован с применением аппаратуры компании National Instruments. Контроль и регистрация параметров осуществлялась в программной среде LabVIEW 8.5.

Газовая чувствительность образцов (S) определялась по общепринятой методике, как относительное изменение тока образца в азоте (IN2) и в водороде

(M (S = WW-

Третья глава посвящена изучению влияния технологических параметров процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием NH3 в качестве источника азота на морфологию поверхности эпитаксиальных слоев AIN, GaN и AlGaN.

Первой задачей работы являлось определение технологических параметров роста эпитаксиальных слоев AIN, выращенных на подложках А1203 (0001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением NH3 в качестве источника азота. Схематическое изображение гетероструктуры представлено на рисунке 2.

Параметрами оптимизации

эиитаксиалыюго слоя A1N являлись: температура подложки (Тподл), поток NH3 (Furo) и толщина слоя (h).

Рисунок 2 - Схематическое Влия1,ие ,10Т0ка NH' "«свойства изображение исследуемой эпитаксиального слоя A1N было

исследовано при температуре подложки

L шуК 1 УрЫ л

900 С; толщина эпитаксиальных слоев -1 мкм; диапазон изменения потока N11, составлял от 15 до 400 см3/мин.

Зависимость среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиальных слоев AIN от различных значений потока NH3, вычисленная но данным атомно-силовой микроскопии (АСМ), представлена на рисунке 3.

Из рисунка 3 видно, что увеличение потока от 15 до 60 ем/мин сопровождается снижением значения среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиального слоя A1N от 6,3 до 0,21 им. Это связано с уменьшением термического испарения Al и повышением скорости зародышеобразования A1N.

Увеличение потока NH3 от 60 до 400 см3/мин вызывает огрубление поверхности растущего слоя AIN, связанного со снижением поверхностной подвижности атомов AI и увеличением зародышей, модифицирующих структуру поверхности.

AIN

Сапфировая подложка

150 200 250 300 Поток Ш), см'/мин

Рисунок 3 - Зависимость

среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиальных слоев Л1Ь' от различных значений потока Ъ1Н3 при температуре подложки 900 °С

диапазоне от 600 до 1200 °С.

0,8

0,6

а 0,4

I 0,2

s •е-

Fv,,,~60cm '/мин

500 600

700 800 900 1000 1100 Температура подложки, °С

1200

Рисунок 4 - Зависимость

среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиальных слоев А1И от различных значений температуры подложки при потоке ЫН3 60 см'/мин среднеарифметической шероховатости поверхности

связанной с осуществлением перехода системы из островкового роста в послойный, о чем говорят результаты исследований образцов (рисунок 5), полученных методом отражательной дифракции быстрых электронов (ОДБЭ).

Таким образом, оптимальным значением потока NH3 для роста

эпитаксиальных слоев A1N на сапфировых подложках является 60 см3/мин.

Далее была

определена зависимость морфологии поверхности эпитаксиальных слоев AIN от температуры подложки: FN1B 60 см3/мин; hA|N = 1 мкм; температура подложки варьировались в

Из рисунка 4 видно, что увеличение

температуры подложки при фиксированном потоке NHj снижает скорость зародышеобразования за счет увеличения подвижности атомов AI, что приводит к увеличению содержания зародышей, реплицирующих структуру поверхности, и, как следствие, к повышению степени кристалличности материала.

Диапазон температур от 900 до 1200 °С характеризуется стабилизацией значения на уровне 0,21 нм,

1 минута 8 минут 15 минут 22 минуты

б)

Рисунок 5 - Картина ОДБЭ в течение роста A1N при различных температурах подложки: а) Тподл = 900 °С; б) Тподл = 1200 °С

1 минута

8 минут

15 минут

22. минуты

Из рисунка 5 видно, что при повышении температуры подложки от 900 до 1200 °С увеличивается скорость перехода из осторовкового в послойный рост. Так при температуре подложки 1200 °С через 8 минут после начала процесса роста (рисунок 5 б) наблюдается полосковая структура рефлексов с отсутствием утолщения указывающая на начало процесса послойного роста.

В результате такого роста возникает двумерный зародыш, находящийся в объемной фазе, который разрастается в монослой путем диффузионного присоединения адсорбированных атомов А1 и N к моноатомной ступени. Вид растущих ступеней представлен на рисунке 6.

нм

1,0 ¡I

0,8 it

0,6 ¡J i

0,4

0,2

а)

и -„

•Villi, ft

О 200 400 600 800 нм б)

Рисунок 6 - Изображения поверхности образца AIN толщиной 1 мкм, выращенного при температуре подложки 1200 °С и потоке NH, 60 см3/мин: а) СЭМ; б) АСМ

Таким образом, оптимальными параметрами роста эпитаксиальных слоев A1N являются: Т„одл = 1200 "С; FNHJ = 60 см3/мин.

Поскольку формирование послойного роста происходит при толщине эпитаксиального слоя менее 1 мкм, то с целью экономии материала необходимо было установить значение минимальной толщины, при которой происходит послойный рост. Толщина эпитаксиального слоя A1N варьировалась в диапазоне от 10 до 250 им. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Среднеарифметическая шероховатость поверхности эпитаксиальных слоев A1N различной толщины, выращенных при оптимальных условиях (Тпоял = '200 °С; FNHj = 60 см3/мин) на сапфировых подложках

№ обр. Толщина слоя, им Среднеарифметическая шероховатость поверхности, нм

14 10 3,62

15 50 1,87

16 70 1,32

17 100 1,25

18 150 1,01

19 200 0,54

20 210 0,51

21 250 0,52

При увеличении толщины эпитаксиального слоя A1N наблюдалось уменьшение значений среднеарифметической шероховатости поверхности исследуемых образцов, связанное с ростом трехмерных зародышей и последующим переходом в двумерный режим роста. Физика процесса роста может быть описана следующим образом: на начальных стадиях роста эпитаксиального слоя AIN на сапфировой подложке, нитрид алюминия оседает на поверхность в виде конгломератов атомов. По мере роста зародышей создаются трехмерные островки с некоторым значением краевого угла <р (рисунок 7). Дальнейший рост островков сопряжен с уменьшением значения краевого угла (угол, образованный касательной к поверхности островка пленки и поверхностью подложки). Если краевой угол трехмерного островка на поверхности равен нулю, то островок «растекается» тонким слоем по поверхности подложки и дальнейший рост пленки переходит в послойный (механизм роста Франка-Ван дер Мерве), где каждый последующий слой пленки начинается формироваться только после полного завершения роста предыдущего слоя. В таком случае шероховатость поверхности не нарастает с толщиной слоя, т.е. эпитаксиальный рост происходит в режиме разращивания ступеней, имеющих высоту порядка одного монослоя.

Анализ результатов, представленных в таблице 1, указывает на то, что ианоразмерные эпитаксиалыше слои A1N толщиной от 10 до 100 нм обладают наибольшей развитостью поверхности, что связано с зарождением и постепенным ростом островков на поверхности подложки Л120|. Более толстых слои A1N (от 100 до 200 нм), характеризуются процессом коалесценции трехмерных островков. В результате чего уменьшается количество образованных пустот, что обеспечивает уменьшение значений среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиального слоя A1N. При толщине 200 нм наблюдается и переход из трехмерного в двухмерный режим роста. Увеличение толщины более 200 нм не приводит к значительному изменению поверхностной шероховатости, так как рост происходит в режиме послойного двумерного разращивания поверхности и дальнейшее увеличение толщины не приводит к снижению среднеарифметической шероховатости поверхности растущего эпитаксиального слоя AIN.

Таким образом, оптимальной толщиной зародышевого слоя AIN, выращенного на сапфировой подложке, является толщина, равная 200 нм.

Второй задачей исследований является оптимизация условий роста активного слоя GaN. Схематическое изображение гегероструктуры представлено на рисунке 8, где зародышевый слой A1N толщиной 200 нм был выращен при оптимальных условиях (Тподл = 1200 °С; FNm = 60 см3/мин)

Определение температуры начала термического разложения GaN проводилось по полученной зависимости скорости роста эпитаксиальных слоев GaN от потока NH3 при фиксированном потоке Ga. Скорость роста вычислялась по интерференционным картинам процесса эпитаксии. Результаты исследований представлены на рисунке 9. Слой GaN был выращен при умеренной температуре, характерной для получения слоев GaN (860 °С) и умеренном потоке NH3 (50 см'/мин) [1]. После выращивания 1 мкм эпитаксиального слоя GaN со скоростью 1 мкм/час, рост эпитаксиальной пленки был остановлен (рисунок 9 точка 1). Затем температура подложки была понижена в атмосфере N11, (для предотвращения испарения GaN) от 860 до 760 °С.

Рисунок 7 - Схематическое изображение трехмерного

островка A1N на сапфировой подложке

GaN

AIN

Сапфировая подложка

Рисунок 8 - Схематическое изображение структуры для определения оптимальных условий роста эпитаксиальных слоев GaN. Толщина зародышевого слоя A1N 200 нм, выращенного при оптимальных условиях

40 120 150 180 Время процесса, ми»

Рисунок 9 - Определение температуры начала термического испарения GaN в вакууме: 1 -остановка роста; 2 - начало испарения GaN; 3 -прекращение испарения GaN; 4 - включение потока NHj (продолжение роста) 1,3

1,2

? 1,1 q

1 <

я 0,9 о 0,8

ЕХ

¡5 0,7

0,4

Í1

■■Ы i—4-

10 , 100 Поток NH,, см'/мим

1000

После этого поток N113 был перекрыт, и температура подложки повышалась. Температура начала термического испарения Са1\

(рисунок 9 точка 2) фиксировалась по началу процесса

на юра » ы зпшаксиа/ 1ы ют слоя С,-^ (840 °С).

Далее температура подложки была

понижена до

температуры 830 °С и зафиксирована. При данной температуре подложки испарение слоя С:^ прекратилось. Таким образом, было экспериментально определено, что

гемгюратура начала термического испарения эпитаксиального слоя GaN, выращенного на струюуре, схематическое изображение которой изображено на

рисунке 8, при

выюиочепном потоке

NIl3

830 "с:.

соответствует

Результаты исследования постоянном потоке Ga

Рисунок 10 - Зависимость скорости роста от потока N11, при температуре 830 °С. Область 1 соответствует Оа - обогащенному ^ - обедненному) режиму; область II - N - обогащенному режиму

зависимости скорост и роста Си У от потока N11, при представлены на рисунке 10.

Из рисунка 10 видно, что переход из N - обедненного в Ы- обогащенный режим роста происходит при 1-\-ш = 10см1/мин. Увеличение потока N11, от 10 до 400 см'/мин не приводит к изменению скорости роста эпи таксиального слоя Са1Ч, что указывает на то, что рост происходит в режиме молекулярного течения.

1000

too

S с

820 840

860 880 900 920 ¿>40 Температура подложки, С

960 980

Рисунок 11 - Зависимость температуры начала разложения эпитаксиального слоя ваИ во время роста от потока ЫН3

I 2

f 1,6 S

¡.1.2 В 0,8

10,4

150

200

250 300 350 Поток N11,. cmVmum

400

450

На рисунке 11

представлена зависимость температуры начала

разложения эпитаксиального слоя GaN от потока МН^ при различных температурах подложки. Из рисунка видно, что при увеличении температуры подложки происходит линейный сдвиг границы перехода в N -обогащенный режим в сторону увеличения потока !\'Н3. При этом в точке перехода температура

подложки и поток МН3 совпадают с температурой и потоком ЫНз, при которых происходит начало

термического разложения СаМ. Это связано с тем, что азот является более летучей компонентой по сравнению с Са и при увеличении температуры роста на поверхности растущего слоя появляется недостаток азота, что приводит к

термическому разложению Са>(.

Для подавления

термического разложения

Рисунок 12 -- Зависимость

среднеарифметической шероховатости

поверхности эпитаксиального слоя GaN от потока NH3 при температуре подложки 970 °С необходимо увеличивать поток NH3, что ведет к сдвигу границы перехода в N • обогащенный режим. Таким образом, при температурах, при которых происходит термическое разложение GaN, переход из N - обедненного в N -обогащенный режим связан не только с изменением потока NH3, поступающего на подложку, но и с десорбцией азота с поверхности растущего слоя.

По данным АСМ (рисунок 12) изменение потока NH3 (как и в случае выращивания зародышевых слоев A1N) влияет главным образом на поверхностную среднеарифметическую шероховатость растущих пленок: недостаток NH) способствует росту числа азотных вакансий в решетке GaN, их агломерации и, как следствие появлению дополнительных структурных дефектов в виде ямок, металлических включений и т. д. Увеличение потока

NH3, до нарушения молекулярного течения, уменьшает скорость роста эпитаксиальных пленок GaN, что способствует лучшему встраиванию атомов в слоях GaN, приводящее к уменьшению значения поверхностной шероховатости. В свою очередь повышение температуры роста уве личивает поверхностную подвижность атомов, причем верхний температурный предел эпитаксиального роста связан с развитием термической десорбции GaN и также в значительной степени определяется потоком NH3.

Таким образом, оптимальными условиями роста эпитаксиальных слоев GaN на структуре, схематическое изображение которой представлено на рисунке 8, являются: Тподл = 970 °С; FNu3 = 400 см*/мин.

Полученные результаты по росту бинарных слоев AIN, GaN в ходе

которых были определены оптимальные значения потока NH3 и температуры подложки, использовались при росте слоев тройного соединения AIGaN.

Схематическое изображение исследуемой гетероструктуры представлено на рисунке 13. В данной структуре эпитаксиальные слои A1N и GaN были выращены при оптимальных условиях (для AIN FNH3 = 60 см3/мин, Тпш,„ = 1200 °С; для GaN Fn,(3 = 400 см3/мин, Т,юдя = 970 °С) и имели толщины 200 им и 1 мкм соответственно.

Результаты зависимости температуры начала термического разложения при различных потоках NH, представлены на рисунке 14. Из рисунка видно, что начало термического разложения различных материалов (GaN, AI0,jGa0,7N и Alo,5Gao,sN) происходит при различных температурах, и связан данный эффект с уменьшением молярной концентрации Ga в связи с высокой летучестью Ga по отношению к Al.

В целом, по данным АСМ, зависимость морфологии поверхности слоев AIGaN от температуры, аналогична зависимости для слоев GaN. При одновременном увеличении температуры и потока NHj происходит укрупнение размеров микрорельефа поверхности растущего эпитаксиального слоя. В свою очередь при увеличении содержания А1 (50%) происходит развитие морфологии поверхности вследствие различия поверхностной подвижности атомов Al.. и Ga. Таким образом, экспериментально подтверждены теоретические представления о неполном вырождении Ga при росте тройного соединения AIGaN, связанного с уменьшением коэффициента вхождения Ga в растущий эпитаксиальный слой.

АЮаЫ СаК АМ

Сапфировая Т ндаожка

Рисунок 13 - Схематическое изображение исследуемой

структуры для определения оптимальных условий роста эпитаксиальных слоев A¡GaN

GaN

Alo.3Gao.7N

Alo:5Gao.jN

1000

100

820 850 880 910 940 970 1000 1030 1060 Темперазура подложки, "с

Рисунок 14 - Зависимость температуры начала термического разложения от потока NH3 для слоев GaNHAlGaN 1010 "С

Несмотря на общее снижение среднеарифметической шероховатости поверхности в системе: Al203-AlN-GaN-AIGaN, изображенной на рисунке 11, по средствам отработки оптимальных технологических параметров роста эпитаксиапьных слоев, выращивание слоев GaN непосредственно на зародышевых слоях AIN сопряжено с трудностями из-за различия в параметрах кристаллических решеток данных материалов, что влияет на электрофизические параметры гетероструктур AIGaN/GaN.

На рисунке 15 представлены результаты исследований влияния конструкции гетероструктуры на подвижность электронов в канале с двумерным электронным газом.

Необходимо также отметить, что при росте образцов с высокой мольной долей А1 (Alo.5Gao.5N) наблюдалось отслоение эпитаксиального слоя от поверхности подложки.

Таким образом, оптимальными параметрами роста эпнтаксиальных слоев А!0>зСа0/^ на слоях Са1Ч являются: 1(\.[(3 = 400 см3/мин; Т1Юдп

Alo.3Gao.7N

GaN

AIN

Подложка

а)

Рисунок 15

Alo.3Gao.7N

Alo.3Gao.7N GaN

Alo.3Gao.7N GaN Градиент

GaN Градиент Alo.3Gao.7N

AI0.3Ga07N Alo,3Ga0,7N Градиент

AIN AIN AIN

Подложка Подложка Подложка

б)

в)

г)

Влияние конструкции гетероструктуры на подвижность

электронов в двумерном электронном газе: а) 579 см"/В * с; б) 600 см /В х с; в) 720 см2/В х с; г) 1010 см2/В х с.

а)

П1Т1

20 1 ». 10 !#

■ >

Из рисунка видно, что использование слоя Alo.jGao.iN (двойное электронное ограничение) и градиентных слоев способствует снижению процесса растрескивания зародышевого слоя A1N.

С точки зрения поверхностной шероховатости, выращивание AIN на начальных стадиях роста, а также использование градиентных слоев значительно улучшает поверхностную шероховатость всей гстсроструктуры. Среднеарифметическая шероховатость поверхности уменьшилась практически вдвое (рисунок 16).

Использование вставки AIN толщиной 1 им между слоями GaN и AIGaN оказывает существенное влияние на подвижность носителей заряда (подвижность носителей заряда в канале с ДЭГ увеличилась от 1010 до ¡600 см2/Вхс), обусловленное эффектом туннелирования электронов. Это, в первую очередь, связано с размерным эффектом: очень тонкие пленки A1N не являются сплошными, а состоят из отдельных островков (гранул), которые имеют вид дисков и обладают малой толщиной. Основной механизм переноса электронов, определяющий удельное сопротивление наноразмерпой пленки AIN, обусловлен перемещением другому через пустоты, заполненные

2 "

о б)

ШШ'.

о о

в)

Рисунок 16 - АСМ изображения поверхности верхнего слоя AIGaN при различных конструкциях переходов в буферной части гетероетруктур AlGaN/GaN: а - переход: подложка-AlN-GaN-AlGaN; б - переход: подложка-AlN-AlGaN-GaN-AlGaN: в -переход: подложка-АЖ-градиепт-AlGaN-rpaaMenT-Ga"N-AlGaN

электронов от одного островка к проводящим материалом AIGaN.

Таким образом, если в пределах каждого островка имеются свободные электроны, то их суммарный заряд будет полностью скомпенсирован зарядом положительных ионов кристаллической решетки и пленка AIN в целом будет электрически нейтрал!,мой. Однако отсюда не следует, что каждая отдельная гранула также должна быть электрически нейтральной. Если с какой-либо гранулы электрон перемещается на соседнюю гранулу, то первая из них заряжается положительно, а вторая - отрицательно. Для такого перехода электрону необходимо сообщить некоторую энергию, по порядку величины,

равную —, где 2а - средний линейный размер островка AIN. Следовательно, 2а

переход электронов от одного нейтрального островка к другому возможен только для тех, которые возбуждены на энергетических уровнях, лежащих

„ 1600 и § 1200

►-Подвижность ■-Концентрация

800

§ 400 С

1,7

1,6 3

1,5 к

1,4 «

1.3 I £ 1,2 5 я

1 I я 1,1 ¡2 1

10 100 1000 Толщина Оа!\, им

10000

выше уровня Ферми, на величину энергии, по крайней мере, не меньшей энергии активации.

Следующей задачей работы, являлось установление зависимости электрофизических параметров двумерного электронного газа (ДЭГ) от толщины слоя GaN (рисунок 17) в гетероструктуре АЮа1Ч/Са1Ч, схематическое изображение которой представлено на рисунке 18 а.

Из рисунка 17 видно, что электрофизические параметры эпигаксиалъных пленок GaN в диапазоне толщин от 10 до 1000 нм носят нелинейный

характер. Увеличение толщины наноразмерных эпитаксиальных пленок Са1Ч от 10 до 100 нм приводит к резкому повышению подвижности носителей заряда от 80 до 1600см2/В*с, что является следствием рассеяния электронов на

поверхности эпитаксиального слоя GaN имеющей шероховатость порядка 9 нм, что является следствием островкового процесса роста наноразмерного эпитаксиального слоя. Увеличение толщины от 100 до 1000 нм способствует переходу системы из островкового режима роста в послойный, в результате чего среднеарифметическая шероховатость поверхности эпитаксиального слоя Са!\ была понижена до 2 нм (при толщине эпитаксиального слоя GaN 100 нм).

Таким образом, оптимальной толщиной эпитаксиального слоя Са]''|) является значение 100 нм.

В гетероструктурах с каналом такой толщины обеспечивается подвижность электронов в канале с ДЭГ на уровне 1600 см2/Вхс при слоевых концентрациях 1,4><10'7 см'2, что в значительной степени превышает электрофизические параметры аналогов (подвижность равна 800 см2/Вхс; концентрация носителей заряда 1,6* 1012 см"2).

По результатам исследований была предложена конструкция гетероструктуры (таблица 2), обеспечивающая образование на границе слоев и А10>зСпо/^ канала ДЭГ с плотностью 1,4* Ю17 см"2 и подвижностью 1600 см2/Вхс при 300 К.

Рисунок 17 - Зависимости электрофизических характеристик ДЭГ от толщины слоя ОаЫ

Таблица 2 - Конструкция многослойной гетероструктуры AIGaN/GaN

Слой Толщина, им

Alo.33Gao.67N 250

A1N 1

GaN 100

Градиент (Alx,Gai_x)N х = 0,3—»0,1 70

Alo.3Gac.7N 280

Градиент (Alx,Ga,.x)N х = 1,0~>0,33 140

AIN 210

AI2O, 4000

Глава IV содержит анализ электрофизических свойств и газовой чувствительности гетеросгруктур AIGaN/GaN с позиции применения в качестве интегрального газового сенсора. Также приведено сравнение электрофизических и газочувствительных свойств образца, полученного в данной работе (рисунок 18 а), с образцом, полученным в лаборатории Munich University of Applied Sciences (рисунок 18 б) и представленным в работе (2j.

Ti-AI-Ti-Au

AlojGaojN GaN AI,Oj

Pt Ti-AI-Ti-Au

a) 6)

Рисунок 18 - Схематическое изображение газочувствителышх гетеросгруктур разработанных: а) в рамках данной работы; б) в лаборатории Munich University of Applied Sciences (Германия)

Для чистоты эксперимента гетероструктура была оснащена идентичной ■топологией контактов, представленной в работе ¡2]. Металлы осаждались методом электронно-лучевого напыления. Эксперимент по сравнению газочувствительных свойств проводился в среде Ik Результаты данных исследований сведены в таблице 3.

Таблица 3 - Сравнительная таблица электрофизических параметров образцов, полученных в данной работе (образец Л) и образцов, полученных в

лаборатории Munich University of Applied Sciences (образец В) 2]

Параметры Образец А Образец В [2]

Диапазон чувствительности 1Ь, РР'н 0,5 - 10000 10-5000

Диапазон рабочих температур, °С 0-800 0-600

Время отклика, с 4 10

Время релаксации, с 20 40

Концентрация электронов в ДЭГ, см"2 Г мхГо17 ГбЧО17"

Подвижность электронов в ДЭГ, смд/В*с 1200 800

Таким образом, подводя итоги работы, можно сделать вывод о том, что за счет выбора оптимальной конструкции гетероструктуры было достигнуто значительное улучшение значений электрофизических параметров, что в свою очередь отражается на газочувствительных свойствах прибора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследования морфологии поверхности эпитаксиальных слоев A1N, выращенных на сапфировых подложках показали, что оптимальными условиями процесса эпитаксии A1N являются: FMn - 60 см3/мин, Тполл = 1200 °С;

2. Исследования морфологии поверхности эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на зародышевых слоях A1N показали, что оптимальными условиями процесса эпитаксии GaN являются FNm = 400 см3/мин, т = 070 °С-

1 ПОДЛ ' ' U

3. Исследования морфологии поверхности эпитаксиальных слоев AIGaN, выращенных на эпитаксиальных слоях GaN показали, что оптимальными условиями процесса эпитаксии Alo^GaojN являются Fn„3 = 400 см3/мин, Т1ЮД„ = 1010 °С;

4.Установлено, что введение градиентных слоев позволяет увеличить подвижность от 579 до 1300 cmj/Bxc. Также показано, что использование вставки AIN толщиной 1 им, между слоями GaN и AIGaN оказывает существенное влияние па подвижность носителей заряда, обусловленную эффектом туппелирования электронов в канале с ДЭГ, таким образом подвижность увеличилась от 1300 до 1600 см2/В*с;

5.Исследовано влияние толщины активного слоя GaN в гетероструктуре AIGaN/GaN • па электрофизические свойст ва ДЭГ. Установлено, что минимальной толщиной слоя GaN является 100 нм, обеспечивающая минимальное значение среднеарифметической шероховатости (2 нм);

6. 11а основании проведенных исследований разработана конструкция гетероструктуры AIGaN/GaN с подвижностью 1600 смг/В*с и концентрацией носителей заряда 1,4*1017 см"2 и канале с ДЭГ, обладающая высокой газовой

чувствительностью (до 0,5 ppm) и работающая в широком диапазоне температур от 0 до 800 °С.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных BAIC РФ:

1. Сенсорный датчик водорода на основе гстфоструктуры AlGaN/GaN с Pt затвором для использования в экстремальных условиях / А.II. Залозпый, М.Д. Бавижсв [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - Т.2. №103. - С. 168-176.

2. Исследование электрофизических свойств газочувствнтельной гетероструктуры AlGaN/GaN с платиновым затвором для детектирования малых концентраций водорода / АЛ. Залозпый, М.Д. Кавижев // Вестник СевКавП'У. - 2010.-Т.З. №24. - С. 50-54.

3. Влияние температуры и потока N1па рост эпитаксиальиых слоев AIN методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азога / А.И. Залозпый, М.Д. Кавижев, J1.M. Баязов // Вестник СевКавГТУ. - 2011. - Т.4. №29. - С. 14-19.

4. Пат. 98244 RU: МКГ1 G 01 N 27/00. Газовый сенсор на основе гетероструктуры AlGaN/GaN / А.Н. Залозпый, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, Д.М. Красовицкий. Заявл. 04.06.10; опубл. 10.10.10.

Прочие публикации:

1. Залозпый A.M. Моделирование зонных диаграмм в многослойных гетероструктурах GaN/InGaN/AIGaN / A.M. Залозпый, М.Д. Бавижев, М.А. Лайпанов, 11.В. Кот // Химия твердого тела: монокристаллы, паноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. IX международной науч. копф. г. Кисловодск, 2009. - С. 213-215.

2. Залозпый А.Н. Моделирование процесса испарения алюминия из источника на установке для МЛЭ «ЦНА» / А.Н. Залозпый, II.В. Кот, В.10. Павлюк, И.В. Касьянов // Химия твердого тела: монокристаллы, паноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. IX международной науч. копф. г. Кисловодск, 2009. - С. 200-201.

3. Залозный А.Н. О возможности эпитаксиальиого получения структурированного массива квантовых точек / А.Н. Залозпый, М.А. Лайпанов, М.Н. Черкашип // Химия твердою тела: монокристаллы, паноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. ¡X международной па уч. копф. г. Кисловодск, 2009. -С. 381-382.

4. Залозпый А.Н. Электрофизические свойства сенсора водорода па основе гетероструктуры AIGaN/GaN с ¡4 затвором / A.l 1. Залозпый, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, Д.М. Красовицкий // Перспективные системы и задачи управления: Тез. докл. V Всероссийской науч.-практ. копф. г. Таганрог, 2010. - С. 231- 234.

5. Залозиый A.II. Исследование отношений потоков испаряемых материалов, а также диапазона температур подложки при создании высокочувствительных газовых сенсоров методом молекулярно-лучевой эпитаксии / А.Н, Залозиый, М.Д. Бавижсв, С.Э. Дсркачев, Л.М. Баязов // Химия твердого тела: папоматериалы, ианотехнологии: Тез. докл. X юбилейной международной науч. конф. г. Ставрополь, 2010. - С. 202-204.

6. Залозиый A.1I. Исследование газочувствительных свойств газового сенсора на основе гетероперехода AIGaN/GaN / А.Н. Залозиый, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, С.Э. Деркачев // Химия твердого тела: наноматериапы, наиотсхнологии: Тез. докл. X юбилейной международной науч. конф. г. Ставрополь, 2010. - С. 207-209.

7. Залозиый А.Н. Исследование электрофизических свойств газочувстителыюго сенсора на основе гетероперехода AIGaN/GaN / А.Н. Залозиый, М.Д. Ьавижев, С.И. Рембеза, С.Э. Деркачев, Л.М. Баязов // Химия твердого тела: наноматериклы, ианотехнологии: Тез. докл. X юбилейной международной науч. конф. г. Ставрополь, 2010. - С. 209-211.

Цитируемая литература:

1. Insulated gate 111-N hcterostructure field-effect transistors / G. Simin, M.A. Khan, M.S. Shur, R. Omsk a //International journal of high speed electronics and systems. - 2004. - V. 14. - № 1. - P. 197-224.

2.. Gas sensitive GaN/AlGaN-heterostructures / J. Schalwig, G. Muller, M. Eickhoff, О. Atnbachcr, M. Stutzmann // Sens. Actuators. - 2002. - V. 87. -P. 425-430.

Автор работы выражает благодарность руководству компании ЗАО «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург) за активную помощь в проведении исследований, а также выражает особую благодарность главному конструктору ЗАО «Светлана-Рост» Красовнцкому Д.М. и доктору физико-математических наук, профессору ВГТУ Рембезе С.И. за помощь и ценные замечания при обсуждении экспериментальной части диссертационной работы.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 27.12.2011 г. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,5 Уч.- изд. - 1,0 Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ №474. Тираж 100 экз. ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство Северо-Кавказского государственного технического университета Отпечатано в типографии СевКавП'У

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Залозный, Александр Николаевич, Нальчик

61 12-5/1629

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет»

На правах рукописи

Залозный Александр Николаевич

МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ А1И ва ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ

Специальность 01.04.15 - Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: лауреат Государственной премии РФ, доктор физ.-мат. наук, профессор Бавижев М.Д.

Нальчик 2011 г.

Содержание

Введение..............................................................................................................5

Глава I. Твердые растворы АП11Ч: применение, свойства, получение.........11

1.1 Варианты исполнения газовых сенсоров на основе гетероперехода АЮаМЮаМ. Выбор материалов......................................................................11

1.1.1 Диодное исполнение.......................................................................11

1.1.2 Транзисторное исполнение.............................................................18

1.2 Свойства твердых растворов А11^............................................................21

1.2.1 Кристаллическая структура твердых растворов АШК.................22

1.2.2 Поляризационные эффекты твердых растворов АШК.................26

1.2.3 Зонная структура и электрофизические свойства твердых растворов АШМ..........................................................................................28

1.3 Дефекты в твердых растворах АШМ.........................................................30

1.4 Электронное ограничение гетероперехода АЮаМЮаК........................36

1.5 Механизм газовой чувствительности гетероструктур АЮаТЧ/ОаМ......43

1.6 Основные методы получения газовых сенсоров на основе гетероперехода АЮа!Ч/СаК............................................................................47

1.6.1 Газофазная эпитаксия......................................................................49

1.6.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия....................................................51

1.7 Выводы по главе 1.......................................................................................53

Глава II. Синтез и методы исследования физических характеристик гетероструктур АЮа1Ч/ОаМ.............................................................................55

2.1 Исходные материалы.................................................................................55

2.1.1 Металлы III группы.........................................................................55

2.1.2 Подложки..........................................................................................55

2.2 Установка молекулярно-лучевой эпитаксии...........................................56

2.3 Другие технологические установки полного цикла........................

2.4 Основные методы измерения параметров исследуемой гетероструктуры...............................................................................................58

2.4.1 Система дифракции быстрых электронов.....................................58

2.4.2 Система лазерной интерферометрии.............................................61

2.4.3 Метод Ван-дер-Пау для определения параметров носителей в тонких эпитаксиальных слоях.................................................................63

2.4.4 Сканирующая зондовая микроскопия...........................................68

2.5 Газодинамическая установка....................................................................69

2.6 Выводы по главе II.....................................................................................72

Глава III. Исследование условий роста, морфология поверхности и электрофизические свойства эпитаксиальных слоев AIN, GaN и AlGaN ..73

3.1 Отработка условий роста зародышевого слоя A1N.................................73

3.1.1 Оптимизация кинетических параметров (Т, поток NH3) роста эпитаксиальных слоев A1N......................................................................74

3.1.2 Влияние толщины зародышевого слоя A1N..................................79

3.2 Отработка условий роста GaN..................................................................82

3.2.1 Отработка начальных стадий эпитаксиального роста GaN........83

3.2.2 Оптимизация кинетических параметров (Т, поток NH3) роста GaN.............................................................................................................85

3.3 Отработка условий роста AlGaN..............................................................88

3.3.1 Оптимизация кинетических параметров (Т, поток NH3) роста эпитаксиальных слоев AlGaN.................................................................89

3.4 Отработка условий роста многослойных гетероструктур AinN для газовой сенсорики............................................................................................91

3.4.1 Отработка переходов в буферной части многослойных гетероструктур AIN/AlGaN/GaN/AlGaN................................................91

3.5 Выводы по главе III....................................................................................97

Глава IV. Электрофизические свойства и газовая чувствительность газовых сенсоров на основе гетероструктур AlGaN/GaN............................98

4.1 Электрофизические свойства гетероструктур АЮаКГ/ОаМ...................

4.2 Газочувствительные свойства гетероструктур АЮаГ^ЛЗаК..................100

4.2.1 Влияние кислородной составляющей на газовую чувствительность....................................................................................101

4.2.2 Влияние гидроксильной составляющей на газовую чувствительность....................................................................................104

4.2.3 Влияние температуры на газовую чувствительность к водороду..................................................................................................108

4.2.4 Стабильность и воспроизводимость параметров газовой чувствительности....................................................................................110

4.3 Выводы по главе IV..................................................................................113

Основные результаты и выводы...................................................................115

Список используемой литературы................................................................117

Приложение.....................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Благодаря большим значениям ширины запрещенной зоны, высокой термической и радиационной стойкости, высоким значениям пробивных полей и ярко выраженных поляризационных эффектов, нитриды металлов третьей группы (AinN), в частности AIN, GaN и AlGaN, являются перспективными материалами для создания высокочувствительных газовых сенсоров, потребность в которых испытывают практически все сферы жизнедеятельности человека.

Несмотря на представленные выше достоинства, материалы AmN широкого распространения в газовой сенсорике не получили. Это связано с рядом проблем, одной из которых является отсутствие дешевых подложек из AinN, что приводит к необходимости выращивать данные материалы на подложках, в той или иной мере рассогласованных по параметрам кристаллических решеток и коэффициентам термического расширения, из-за чего появляются трудности эпитаксиального роста качественных активных слоев AniN.

Между тем, при использовании технологических приемов (создание зародышевых слоев, и градиентных слоев), в зависимости от режимов процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота можно получить высококачественные слои AmN, обладающие огромным потенциалом для создания высокочувствительных газовых сенсоров. Однако без проведения всесторонних исследований в области эпитаксии и изучения структурно-чувствительных свойств этих материалов не возможна оптимизация условий получения гетероструктур

с заданными характеристиками а, следовательно, и их массовое использование в газовой сенсорике.

В связи с этим целью диссертационной работы являлось установление влияния технологических факторов роста слоев AIN, GaN и AlGaN методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота и исследование путей снижения среднеарифметической шероховатости поверхности растущих слоев, влияющих на электрофизические свойства гетероструктур, применяемых в газовой сенсорике.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

-определить влияние технологических параметров процесса роста зародышевых слоев A1N, выращенных на подложках А1203 методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота, на морфологию поверхности;

-определить влияние технологических параметров процесса роста эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на зародышевых слоях A1N методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота, на морфологию поверхности;

-определить влияние технологических параметров процесса роста эпитаксиальных слоев AlGaN, выращенных на эпитаксиальных слоях GaN методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота, на морфологию поверхности;

-исследовать влияние градиентных слоев на подвижность электронов в двумерном электронном газе гетероструктуры AlGaN/GaN;

-исследовать электрофизические и газочувствительные свойства (чувствительность к Н2) разработанной гетероструктуры AlGaN/GaN и сравнить результаты с существующим аналогом.

Научная новизна работы: - исследована зависимость кинетики роста слоев AIN, GaN и AlGaN от технологических параметров синтеза методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота, и установлены оптимальные условия роста для этих материалов;

-впервые предложена конструкция гетероструктуры AlGaN/GaN для применения в газовой сенсорике, включающая в себя градиентные слои;

-установлено влияние конструкции гетероструктуры AlGaN/GaN на подвижность электронов в канале с двумерным электронным газом.

Практическая значимость работы: -установлены режимы процесса роста эпитаксиальных слоев GaN, AIN и AlGaN методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота для получения слоев с минимальной среднеарифметической шероховатостью поверхности;

-разработана оптимальная конструкция гетероструктуры на основе гетероперехода AlGaN/GaN для применения в газовой сенсорике;

-получены гетероструктуры, работающие в широком диапазоне температур (от 0 до 800 °С), обладающие высокой чувствительностью к Н2 (концентрация 0,5 -f-10000 ppm) и временем отклика 4 с, что не менее, чем в 2 раза меньше времени отклика аналога.

Основные положения, выносимые на защиту:

-характер влияния технологических параметров процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием NH3 в качестве источника азота на рост слоев AIN, GaN, AlGaN;

-характер влияния градиентных слоев на подвижность носителей заряда в канале с двумерным электронным газом гетероструктур AlGaN/GaN;

-характер влияния толщины слоя GaN в гетероструктуре AlGaN/GaN на подвижность и концентрацию электронов в двумерном электронном газе;

-статические и динамические газочувствительные характеристики разработанных гетероструктур AlGaN/GaN, а также сравнительный анализ полученных образцов с существующим аналогом.

Реализация результатов работы.

Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре «Нанотехнологии и технологии материалов электронной техники» ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» в рамках гранта: Мин. Образования РФ, РНП 1.2.08 «Исследование физических свойств тонких пленок нитрида галлия и карбида кремния, полученных методами магнетронного распыления и вакуумного лазерного испарения».

Результаты диссертационной работы легли в основу проекта, поддержанного фондом содействия развитию малых форм предприятий в

научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К. проект №7963 (3) от 01.01.2008 г.

Апробация результатов исследований.

Достоверность полученных результатов.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 11 работ (из них 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ), в том числе: 1 патент РФ и 7 тезисов докладов на международных, российских научно-технических

конференциях и семинарах, где полностью изложены основные положения диссертации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов по работе. Материал диссертации представлен на 137 страницах машинописного текста, включающий 43 рисунка, 3 таблицы, список литературы в количестве 142 наименований, 1 приложения.

Глава I. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ АШ]Ч: ПРИМЕНЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ

1.1 Варианты исполнения газовых сенсоров на основе гетероперехода АЮа1Ч/Са]Ч. Выбор материалов

В настоящее время существует несколько вариантов исполнения газовых сенсоров на основе гетероперехода АЮа1Ч/Са1Ч: диодное и транзисторное. В зависимости от эволюции разработок данных видов сенсоров на основе гетероперехода АЮаМЮаМ (от диодного исполнения до транзисторного), исследуемые образцы имеют свои достоинства и недостатки.

1.1.1 Диодное исполнение

Впервые в 2001 году европейские ученые приступили к разработке принципиально нового типа газочувствительного прибора на основе эпитаксиальных слоев СаМ

Авторы работы [78] создали и исследовали гетероструктуру газочувствительного диода на основе эпитаксиальных слоев ОаК, поперечное сечение которой изображено на рисунке 1.1.

В данной структуре отсутствует канал с электронным ограничением, а изменение электрофизических параметров структуры носит лишь поверхностный характер.

Структура была выращена на сапфировой подложке ориентации (0001) методом металлоорганической эпитаксии (МОУРЕ). В качестве источников использовались триметилгаллий (ТМва) и аммиак (ГШз).

Ohmic contact Pt

I I_I I_

Si doped GaN (Зцт)

LT GaN buffer (25 nm) Sapphire substrate

Рисунок 1.1 - Поперечное сечение диодной газочувствительной структуры [78]

Выращивание производилось по следующим этапам:

1. Высокотемпературная (1100°С) отчистка сапфировой подложки в среде водорода;

2. Выращивание слоя GaN толщиной 25 нм при температуре 530 °С;

3. Выращивание слоя GaN, легированного Si, толщиной 3 мкм при температуре 1040 °С.

Далее методом электронно-лучевой эпитаксии был создан омический контакт Ti/Al/Au (40 нм/120 нм/350 нм) с последующим быстрым термическим отжигом.

Отжиг осуществлялся при температуре 850 °С в течение 30 с в атмосфере азота.

После чего был нанесен слой платины толщиной 30 нм.

Авторы работы ограничились исследованиями вольт-амперных характеристик исследуемой структуры под действием реагирующего газа.

Результаты исследования вольт-амперных характеристик с присутствием реагирующего газа (водорода) и без него представлены на рисунке 1.2.

Из графика видно, что без присутствия водорода вольт-амперная характеристика исследуемой гетероструктуры имеет стандартный диодный

вид, где в области обратных смещений напряжений прибор находится в «закрытом» состоянии. Незначительные отклонения от нулевого значения тока при увеличении отрицательного напряжения от 0 до - 4 В, по мнению авторов [78], является следствием незначительных потерь, обусловленных токами утечек.

о U

2.0x10° 1.5x1 (Г' 1.0x10' 5.0x10"

0.0

5.0xl0'li -1.0x10'' -1Л\ Ш 5

: 1 : 1 :

—■— ■II 25 pj>m lief, at 2 ;0 0

с - ...... /

1 i i i

Voltage

Рисунок 1.2 - Вольт-амперная характеристика газочувствительного диода на основе GaN, полученная при температуре 240 °С в присутствии реагирующего газа (Н2 = 25 ррш) и без него (Ref.) [78]

При измерении вольт-амперных характеристик исследуемой структуры в присутствии водорода, в области обратных смещений напряжения, наблюдается линейное увеличение обратного тока. Так при напряжении -4 В, значение тока изменяется от нулевых значений до значений - 1,25 х 10~5 А. Данное поведение газочувствительного прибора, согласно авторам [78,54], говорит о понижении величины барьера Шоттки, что подразумевает трансформацию вольт-амперной характеристики в омический вид.

Представленное изменение вольт-амперной характеристики в присутствии водорода авторы объясняют следующим механизмом [78,54]: высокое значение барьера Шоттки, вызванное при контакте металл-полупроводник, блокирует ток обратного смещения. Во время появления водорода, между Pt и GaN образуются водородные диполи, понижающие значение барьера Шоттки и увеличивающие обратный ток.

Помимо исследований, посвященных изучению механизма газо�