Модификация эпитаксиальных слоев нитрида галлия в области дефектов роста методом периодического ионно-лучевого осаждения-распыления

Промышленный выпуск светодиодов и лазеров для видимой области спектра на основе нитрида галлия и родственных ему соединений был освоен благодаря наличию в этих материалах запрещенной зоны с прямыми переходами, энергия которых может изменяться от красной области спектра для InN до дальней ультрафиолетовой области для A1N, прочной химической связи, которая устойчива к образованию и миграции дефектов в рекомбинационных процессах. Эти твёрдотельные источники излучения применяются в высококачественных больших уличных телевизионных экранах, декоративной иллюминации, в светофорах, в лазерах проигрывателей компакт-дисков с большой емкостью оптической информации. Голубые или ультрафиолетовые фотоны обладают возможностью возбуждать люминофоры, излучающие белый свет. В настоящее время в бытовом и уличном освещении происходит вытеснение ламп накаливания светодиодами, которые становятся все более эффективными (больше 100 лм/вт) и более долговечными (более 10 000 часов срок службы).

Гетероструктуры на основе соединений AmN перспективны для разработки транзисторов нового поколения, изготовления мощных, сверхвысокочастотных усилителей, работающих на основе структур AlGaN/GaN с высокой подвижностью электронов.

В настоящее время активно развивается направление по созданию нечувствительных (прозрачных) к видимому свету детекторов («солнечнослепых» датчиков) с высокой радиационной стойкостью.

Многочисленные публикации теоретического и экспериментального характера по проблеме получения комнатнотемпературных ферромагнитных полупроводников, показывают на перспективность выращивания твердых растворов с магнитными катионами на основе AniN, а также на возможное использование пленок рассматриваемых материалов в качестве подложек при синтезе спинтронных структур.

Научные исследования в области АШН материалов в настоящее время стимулируются тем фактом, что их коммерческое применение опережает уровень понимания процессов, благодаря которым получены положительные результаты по практическому использованию. Более того, в настоящее время светодиоды изготавливаются из пленок с плотностью ростовых дислокаций 10 ^ вплоть до 10 см" «. Это связано с отсутствием эпитаксиально согласованных подложек, из-за чего рабочие структуры получают при помощи гетероэпитаксиального осаждения на подложки других веществ, таких как сапфир или карбид кремния, а в последнее время и кремния.

В настоящее время первостепенными становятся задачи анализа дефектов роста, установления характера их влияния на характеристики приборных структур и определение путей устранения их отрицательного влияния на последние.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

.

Нитрид галлия (ОаТчГ) и другие родственные соединения типа АП1Ы (А111 галлий, индий или алюминий) представляют собой группу полупроводниковых материалов, которые по промышленной значимости среди материалов электронной техники уступают только кремнию и арсениду галлия.

Основным стимулом для постановки научных исследований, посвященных проблеме АШЫ материалов, является существенное отставание необходимого уровня понимания процессов, протекающих при получении эпитаксиальных структур ваЫ, от их применения для приборов различного функционального назначения, включая приборы опто-, СВЧэлектроники, а также при использовании твёрдых растворов на основе АШЫ с магнитными катионами в качестве подложек при синтезе спинтронных структур.

В процессе применения пленок ОаЫ в приборных структурах возникает ряд проблем, например, при создании оптически прозрачного высокостабильного омического контакта к плёнкам /?-типа из-за высокой 5 работы выхода у нитрида галлия и большой концентрации ростовых дефектов в эпитаксиальных слоях. Для решения проблемы влияния дефектности структуры эпитаксиальных плёнок ваИ на характеристики приборов необходим поиск методов постростовой обработки пленок, направленный на уменьшение степени этого влияния. Ранее использовались процессы осаждения-распыления металл-оксидных слоев химически активными ионами. В результате было установлено, что облучение ионами кислорода с энергией до 400 эВ в процессе постростовой обработки не ухудшает исходной структуры ваИ и позволяет заращивать мелкие ростовые дефекты. Однако указанный подход не позволял полностью избавиться от утечек тока в вертикальных приборных структурах в связи с тем, что отсутствовал детальный анализ поверхностных и объемных дефектов в эпитаксиальных структурах ОаЫ.

Достигнутый уровень современных экспериментальных исследований позволяет на основе комплексного применения сканирующей электронной и ионной микроскопии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии и ионно-лучевого распыления поставить задачу проведения детального анализа распределения дефектов в эпитаксиальных слоях ваЫ по толщине, классифицировать дефекты по размерам, определить области их повышенной концентрации и особенности формирования в отдельных зонах роста, а также предложить методы нейтрализации ростовых дефектов при постростовой обработке как в активных областях приборов (например, областях /-типа), так и в слое р-типа проводимости, к которому формируется омический контакт.

Указанные проблемы определяют актуальность настоящей диссертационной работы и являются предметом ее исследования.

Цель работы.

Исследование морфологии эпитаксиальных плёнок ваЫ в области дефектов роста и разработка метода целенаправленного модифицирования поверхности эпитаксиальных пленок нитрида галлия, содержащих различные типы ростовых дефектов, периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением для их заращивания.

Задачи исследования.

Исследовать особенности распределения ростовых дефектов в эпитаксиальных плёнках GaN.

Исследовать процесс заращивания дефектных областей эпитаксиальных плёнок GaN ионно-лучевым осаждением-распылением.

Разработать и реализовать метод модифицирования дефектных эпитаксиальных пленок нитрида галлия периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением с использованием металл-оксидных слоев.

Использованная аппаратура и методы исследования.

Исследования эпитаксиальных плёнок проводились методами оптической, растровой электронной (SEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM) в сочетании с фотолюминесценцией. Электропроводность слоев контролировалась двух— и четырёхзондовым методами.

Реализация процессов обработки плёнок GaN в режиме «осаждения-распыления» проводилась на установке, оснащенной широкоапертурными источниками ионов с холодным полым катодом на основе двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления.

Для исследования структуры дефектов и механизмов их заращивания при постростовой обработке дополнительно использовался метод получения вертикальных сечений эпитаксиальной плёнки GaN в области дефекта сфокусированным ионным пучком (FIB: focused ion beam) с последующим анализом с помощью растровой электронной микроскопии высокого разрешения. Методика реализована на двухлучевом комплексе DualBeam (FIB/SEM) systems, Helios NanoLab (FEI Company).

Использованные современные средства и методики обеспечивают высокую достоверность полученных результатов и создают предпосылки к объяснению совокупности экспериментальных данных и формированию обоснованных выводов.

Научная новизна работы.

Впервые разработан комплексный метод качественного и количественного анализа дефектов роста в эпитаксиальных слоях ваЫ, включающий контроль их распределения по поверхности и объему и сочетающий ионно-лучевое распыление материала кислородом, наноразмерное локальное препарирование плёнки сфокусированным ионным пучком и растровую электронную микроскопию высокого разрешения.

Определены основные механизмы протекания процесса комбинированного ионно-лучевого «бездефектного» осаждения-распыления металл-оксидных слоёв в среде кислорода и показано, что выравнивание микрорельефа поверхности пленки ОаЫ заращивающим слоем достигается за счёт практически двукратного превышения скорости осаждения металл-оксидов во впадинах по сравнению с нарастанием слоя на плоских участках.

Предложен и реализован метод заращивания ростовых дефектов в пленках ваЫ, распространяющихся до границы раздела «плёнка-подложка», многократным периодическим осаждением-распылением толстого, сравнимого с толщиной эпитаксиальной пленки, слоя оксида алюминия (АЮХ) с последующим осаждением-распылением слоя оксида бериллия (ВеО) толщиной менее 5 нм.

Положения, выносимые на защиту.

Сочетание низкоэнергетичного ионно-лучевого распыления эпитаксиальных слоев ОаЫ кислородом, их локального препарирования сфокусированным ионным пучком и электронной микроскопии высокого разрешения обеспечивает выявление, локализацию и позволяет осуществлять классификацию комплекса типовых, для различных методик роста СаЫ, дефектов по глубине и поверхности слоя.

Реализация процесса последовательного многократного ионно-лучевого осаждения-распыления слоёв АЮХ на поверхности эпитаксиальных пленок ОаИ, сравнимой с ними толщины, обеспечивает заращивание поверхностных мелких и объёмных глубоких дефектов роста, выходящих на поверхность эпитаксиальной пленки ваИ.

Механизм преимущественного заполнения наносимым диэлектриком микрорельефа поверхности эпитаксиальной пленки ваИ при заращивании поверхностных мелких и объёмных глубоких дефектов роста состоит в повышении скорости его осаждения в области дефекта по сравнению с планарной поверхностью плёнки, что обусловлено комбинацией трёх факторов: геометрией потока распыляемого материала (определяемой угловой зависимостью коэффициента распыления) — массопереносом осаждаемого материала в зоне ростового дефекта (стимулированного энергетической неоднородностью зоны дефекта) — продольным массопереносом материала по поверхности эпитаксиального слоя (стимулированного воздействием ионного пучка на материал).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

Разработан и реализован метод модифицирования дефектных эпитаксиальных пленок нитрида галлия периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением с использованием металл-оксидных слоёв, являющийся базой для ряда технологических операций в процессе изготовления приборов на основе ОаТЧ, включая:

— изготовление контактных систем ВеО/Аи/ВеО к />СаЫ для оптоэлектронных приборов, работающих вплоть до ультрафиолетовой области спектра (патент РФ на изобретение № 2 399 986, приоритет от 16.01.2009).

— формирование планарной поверхности постростовой обработкой эпитаксиальных плёнок ваЫ, являющихся подложками большой площади для структур спинтроники на основе наноразмерных слоевых композиций Со/ТЮ2.

Результаты работы использованы в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» при выполнении НИР, направленной на разработку и исследование оптоэлектронных структур на основе нитрида галлия для высокоэффективных источников излучения.

Результаты внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), начиная с 2008/2009 учебного года, в качестве дополнения к курсу лекций по дисциплинам «Технология материалов и изделий электронной техники», «Физика и технология квантово-размерных структур и приборов на их основе» и при проведении практических занятий со студентами 5 курса.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

6-я и 7-я Всероссийских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминияструктуры и приборы» (С-Пб., 2008 и 2009 гг.).

XIII и XIV Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009 и 2010 гг.), на конференции X Юбилейного Международного форума и выставке «Высокие технологии XXI века (М., 2009 г.),.

XXIII Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка,.

2010 г.).

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано: 3 статьи в журналах, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 10 тезисов докладов на конференциях и симпозиумах.

Все экспериментальные результаты, включая вошедшие в совместные с соавторами публикации, получены при непосредственном участии автора настоящей диссертационной работы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы, включающего 110 наименований. Работа изложена на 118 страницах, содержит 34 рисунка и 8 таблиц.

Выводы к главе 3.

Приведена классификация ростовых дефектов, оценка их геометрических размеров, глубины расположения и концентрации.

Предложен и исследован метод их заращивания методом периодического осаждения-распыления слоев родственных по природе материалов. Установлено, что толстый слой оксида алюминия в процессе периодического осаждения-распыления преимущественно заполняет дефекты субмикронных и микронных размеров, ликвидируя каналы возможных утечек и пробоев в приборных структурах. При этом поверхность становится менее развитой и ее шероховатость уменьшается практически на порядок.

Установлено также, что при заполнении диэлектриком глубоких дефектов наблюдается дополнительное латеральное перераспределение материала в окрестности дефектов роста при ионно-лучевой обработке ОаЫ.

На основании экспериментальных исследований сделаны предположения о возможных механизмах заращивания дефектов в Оа]Г, обусловленных комбинацией трёх факторов:

— геометрией потока распыляемого материала, определяемого угловой зависимостью коэффициента распыления;

— массопереносом осаждаемого материала в области ростового дефекта, стимулированного ее энергетической неоднородностью;

— продольным массопереносом материала по поверхности эпитаксиального слоя, стимулированного воздействием ионного пучка на материал.

Указанные факторы сложным образом связаны между собой и их интегральное действие позволяет объяснить процесс преимущественного заполнения пустот в области дефектов более чем вдвое быстрым осаждением материала во впадинах по сравнению с плоскими участками. I 1.

Глава 4. Применение метода периодического ионно-лучевого осаждения-распыления в технологии изготовления омических контактов к р-слоям нитрида галлия и формирования подложек для пленочных структур спинтроники.

4.1. Минимизация влияния сквозных дефектов на постростовые операции осаждения-распыления.

Технологический процесс минимизации влияния сквозных ростовых дефектов на поверхности необходим при формировании низкоомного оптически прозрачного омического контакта повышенной термической стабильности. Результаты предыдущих глав позволяют разработать его на основе операций ионно-плазменной очистки поверхности эпитаксиального слоя />ОаЫ посредством периодического осаждения-распыления слоя оксида алюминия толщиной не менее 30% от толщины эпитаксиального слоя (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Постростовое заращивание дефектов в эпитаксиальных слоях ва№ а) исходное состояние, 6) осаждение АЮХ, в) распыление АЮХ, г) нанесение подслоя ВеО для омического контакта. Стадии б ив повторяются многократно.

4.2. Способ изготовления прозрачного омического контакта.

BeO/Au/BeO/p-GaN.

Прозрачные омические контактные структуры к эпитаксиальным слоям р-ваК являются составной частью приборов, где вывод и прием излучения осуществляется верхним р-слоем. Контакты, должны обеспечивать оптическую прозрачность более 50% в рабочем интервале длин волн, а также соответствовать стандартным требованиям, основными из которых являются низкое значение контактного сопротивления, механическая прочность и термическая стабильность при длительной непрерывной эксплуатации [38, 79].

Термическая стабильность контактной структуры к р-ваИ достигается за счет того, что периодически наносится и удаляется дополнительный толстый слой оксида алюминия. Происходит преимущественное заполнение пустот и проколов, образовавшихся при росте пленки, диэлектрическим материалом, близким по свойствам к соединениям нитридов третьей группы элементов, без его постороннего присутствия на плоских (бездефектных) участках поверхности. В результате исключаются наиболее активные в электрическом плане низкоомные шунтирующие каналы утечек тока без нарушения вакуумного цикла формирования контактной структуры и без ухудшения ее исходных свойств.

Предварительно прошедшие стандартную химическую обработку образцы помещались в установку двойного ионно-лучевого распыления-осаждения. Поверхность пленок эпитаксиальных слоев в течение 20−30 минут обрабатывалась пучком ионов азота с энергией до 200 эВ с целью очистки. Затем производилось напыление мишени алюминия ионами кислорода в атмосфере кислорода и нанесение со средней скоростью 4.3 нм/мин пленки оксида алюминия на поверхность эпитаксиальных слоев. Толщина и состав пленочной эпитаксиальной структуры задавались условиями роста. Приведем для демонстрации экспериментальные данные, полученные на эпитаксиальной структуре толщиной 1200 нм. Дефектные участки поверхности имеют вид впадин на рельефе поверхности с площадями поперечного сечения в десятки-сотни квадратных нанометров. Они заполняются более чем в два раза быстрее, чем ровные участки поверхности, при нанесении пленок оксидов алюминия в условиях ионно-лучевого распыления-осаждения, рассмотренных в главе 2. За время 120 минут на плоские участки поверхности р-слоя происходило нанесение пленки оксида алюминия толщиной около 520 нм. Затем оксид алюминия удалялся с плоских участков поверхности распылением ионным пучком азота с энергией до 200 эВ и плотностью тока 0,6 мА/см". Одновременно происходило удаление оксида алюминия и в области проколов, но при этом протекали также процессы переосаждения продуктов распыления, в том числе с плоских участков поверхности во впадины рельефа, как и внутри области самих проколов. Поэтому наблюдался даже рост эффективной толщины заполняющего пустоты слоя, если их площадь эффективного сечения не превышала десятков квадратных нанометров. Плёнка оксида алюминия распылялась пучком ионов азота на плоских участках поверхности с эффективной скоростью около 11 нм/мин. Скорость распыления поверхности р-слоя ваИ после ее вскрытия по мере удаления слоя оксида алюминия не превышала 0,2 нм/мин. Это позволило пренебрегать воздействием ионов азота с энергией менее 200 эВ на толщину вскрытого р-слоя. Завершение процесса удаления оксида алюминия с плоских участков поверхности фиксировалось по изменению интенсивности спектра отраженного сигнала от поверхности тестовых образцов по мере удаления оксида алюминия, откалиброванного по времени распыления. После этого производилось последовательное осаждение путем дискретного вращения трехпозиционной металлической мишени слоя ВеО (со скоростью нанесения 0,6 нм/мин), золота, а затем второго слоя ВеО.

Как видно из рис. 4.2, а, на поверхности эпитаксиальной структуры в центре хорошо различимы искаженной гексагональной формы пустоты глубиной порядка 1мкм. После выполнения описанного технологического процесса характерный вид поверхности вместе с нанесенной на нее контактной структурой принимает вид, показанный на рис. 4.2, б. Сравнение изображений показывает, что на поверхности конечного вида отсутствуют электрически активные дефектные области, причем даже в местах, соответствующих нахождению на исходной структуре пустот ростовой природы происхождения.

Испытания на термическую стабильность контактных структур, изготовленных предложенным способом, показало, что исходное контактное сопротивление составляло 3-ИИ О" 4 Ом-см. После выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550 °C, контактное сопротивление увеличилось незначительно до значений менее 10″ Ом-см (в близких условиях [68] оно увеличилось до 2,2−10″ 3 Ом-см), но сохраненило прозрачность в 80% на длине волны 460 нм. Таким образом, термическая стабильность полученной здесь контактной структуры была в два раза выше, чем у известной [64, 65, 66, 68] при сравнимых значениях остальных характеристик (табл. 4.1).

Рис. 4.2. Поверхность р-слоя ОаЫ в исходном виде (а) и после постростового заращивания (б).