Принципы построения и свойства гетероструктур на основе соединений III-N, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии

Благодаря своим уникальным свойствам нитриды металлов третьей группы (III-N) весьма перспективны для создания оптоэлектронных и электронных приборов на их основе. Ширина запрещенной зоны этих прямозонных полупроводников перекрывает весь видимый и значительную часть ультрафиолетового диапазона, а значит на основе этих материалов возможно создание оптоэлектронных приборов, работающих в указанных областях спектра. Высокая термическая и радиационная стойкость, высокие значения пробивных полей, ярко выраженные поляризационные эффекты делают эти материалы привлекательными в высокотемпературной сильноточной электронике и при создании мощных СВЧ-транзисторов. Начиная с семидесятых годов двадцатого века, предпринимались попытки получить эти материалы при помощи различных методов. Однако технологические трудности получения нитридов металлов третьей группы таковы, что долгое время не удавалось получить материал приборного качества. В девяностых годах прошлого столетия произошел стремительный прогресс в технологии выращивания нитридов, что открыло дорогу для создания разнообразных приборов на основе этих материалов.

При выращивании материалов III-N существует ряд проблем, основной из которых является отсутствие дешевых подложек из нитридов металлов третьей группы. Это приводит к необходимости выращивать данные материалы на подложках, в той или иной мере рассогласованных по параметрам кристаллической решетки и коэффициентам термического расширения. Гетероэпитаксия нитридов на подложках из других материалов, несмотря на применение специальных процедур на начальных стадиях роста, приводит к достаточно высокой плотности дислокаций, что усложняет задачу получения приборных гетероструктур. Типичные значения плотности дислокаций в нитриде галлия составляют Ю8−1010 см" 2. Основными методами выращивания приборных гетероструктур из нитридов металлов третьей группы являются газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (МОГФЭ, metal organic chemical vapor deposition — MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ, molecular beam epitaxy — МВБ). Метод хлорид-гидридной газофазной эпитаксии (HVPE), при помощи которого были получены первые эпитаксиальные слои GaN пока не используется для выращивания сложных гетероструктур из-за высокой скорости роста (сотни мкм/час). При этом высокая скорость роста позволяет выращивать достаточно толстые (до 100 мкм) слои GaN, плотность дислокаций в которых может быть уменьшена за счет удаления от дефектной границы с подложкой. Такие слои используются в качестве «квазиподложек» для последующего роста при помощи МОГФЭ или МЛЭ приборных гетероструктур. Метод МЛЭ обладает рядом достоинств по сравнению с МОГФЭ, а именно, позволяет осуществлять in-situ диагностику роста при помощи отражательной дифракции быстрых электронов (ОДБЭ, RHEED), получать более резкие гетерограницы, обеспечивает более высокую чистоту камеры роста, возможность совмещения с другими вакуумными ростовыми и исследовательскими камерами. Кроме того, метод МЛЭ характеризуется большей эффективностью использования прекурсоров и меньшими по сравнению с MOCVD требованиями к безопасности при проведении ростового процесса. Это делает МЛЭ перспективным методом для прикладных приложений, в особенности при создании гетероструктур для мощных полевых СВЧ-транзисторов. Тем не менее, метод МЛЭ имеет один существенный недостаток по сравнению с МОГФЭ. Плотность дислокаций в слоях, полученных этим методом на 1−2 порядка выше, что связано с меньшей температурой роста. В методе МЛЭ условие сохранения высокого вакуума не позволяет увеличить отношение потоков элементов V/III до значений, сравнимых с МОГФЭ, поэтому увеличение температуры роста ограничено разложением материала. С этой точки зрения МЛЭ с использованием аммиака в качестве источника азота является более привлекательной в сравнении с плазменной МЛЭ, поскольку позволяет задать более высокие отношения V/III и более высокие температуры роста.

Несмотря на трудности при выращивании материалов III-N, в настоящее время как при помощи МОГФЭ, так и методом МЛЭ получены гетероструктуры приборного качества, что позволило реализовать некоторые приборные приложения. Промышленно производятся синие и зеленые светодиоды, использующиеся в полноцветных системах изображения, светофорах, индикаторных и других приборах. Созданы синие лазеры, использование которых в устройствах хранения информации позволило бы значительно увеличить плотность записи, однако стоимость подобных устройств на данный момент достаточно высока. Как альтернатива ртутным лампам, активно развивается направление по созданию белых источников света с низким энергопотреблением на основе ультрафиолетовых и синих светодиодов, покрытых люминофором. В таких светоизлучающих приборах в активной области находится один или несколько слоев InGaN с различным содержанием индия, которые расположены в обкладках слоев более широкозонных материалов GaN и AlGaN. Гетероструктуры для массового производства светоизлучающих приборов выращиваются в первую очередь методом МОГФЭ. Это обусловлено меньшей по сравнению с МЛЭ плотностью дислокаций в получаемых слоях, которые, являясь центрами безизлучательной рекомбинации, значительно уменьшают внешний квантовый выход. С другой стороны методом МЛЭ были получены светодиоды, выращенные на низкодислокационных «квази-подложках» GaN с внешним квантовым выходом сопоставимым со светодиодами, выращенными при помощи МОГФЭ, сообщалось о получении лазеров аналогичным способом. Это делает данный подход привлекательным для получения сложных лазерных гетероструктур.

Также на основе широкозонных соединений в системе III-N могут создаваться фотоприемники «слепые» к солнечному свету. Такие приборы могут применя ться во многих областях техники. Структуры для подобных приборов могут быть выращены как при помощи МОГФЭ, так и при помощи МЛЭ. Плотность дислокаций не так критична в таких приборах, влияя при этом на соотношение сигнал-шум. Кроме оптоэлектронных приборов, нитриды металлов третьей группы используются для изготовления на их основе мощных и малошумящих полевых СВЧ-транзисторов, которые по совокупности рабочих параметров могут занять исключительное место в ряду аналогичных приборов на основе традиционных полупроводников. Полевые транзисторы на основе материалов III-N демонстрируют в СВЧ-режиме генерацию с плотностью мощности на порядок большей, чем приборы на основе арсенида галлия. Подобные транзисторы могут использоваться во многих устройствах гражданского и военного применения. Наиболее распространенная конструкция транзисторной гетероструктуры состоит из буферного слоя GaN толщиной 1−3 мкм, на котором выращен тонкий (20−30 нм) слой AlGaN. В таких приборах на гетерогранице GaN/AlGaN за счет пьезолегирования образуется двумерный электронный газ (ДЭГ) со слоевой плотностью электронов порядка 1013 cm'2. Подвижность электронов в ДЭГ существенно зависит от степени совершенства слоев гетероструктуры и может при 300К достигать значений около 2000 см /В с, хотя для большинства работ характерны цифры 1000−1500 см /В'с. Гетероструктуры с подобными значениями подвижности получены как методом МОГФЭ, так и при помощи МЛЭ. Однако, поскольку преднамеренно нелегировапный нитрид галлия имеет заметную фоновую проводимость п-типа, необходимо предпринимать специальные меры по уменьшению проводимости буферного слоя GaN для минимизации тока утечки, увеличения пробивных напряжений, обеспечения межприборной изоляции и полной отсечки транзистора.

Токи утечки могут быть минимизированы при помощи компенсирующего легирования буферного слоя GaN примесями, создающими глубокие или акцепторные уровни, такими как Fe, С, Mg и др. Но это дополнительно способствует возникновению эффекта уменьшения тока транзистора при генерации большой СВЧ-мощности («коллапс тока»), который связывают с захватом электронов на глубокие ловушки как в барьерном слое AlGaN, так и в буферном слое GaN. В связи с этим более эффективной конструкцией для транзистора может быть двойная гетероструктура AlGaN/GaN/AlGaN. Такая конструкция имеет и ряд дополнительных преимуществ: уменьшение вероятности растрескивания барьерного слоя AlGaN на толстом буферном слое GaN, а также возможность двустороннего или обратного легирования проводящего канала. Сообщения о выращивании гетероструктур с двойным электронным ограничением в системе Al-Ga-N пока немногочисленны, однако существует ряд публикаций о создании полевых транзисторов па основе двойных гетероструктур AlGaN/GaN/AlGaN с характеристиками, не уступающими приборам на основе «классических» структур GaN/AlGaN. На сегодняшний день полевые транзисторы на основе гетероструктур в системе I1I-N находятся на стадии разработки и промышленно еще не производятся, хотя работы по созданию таких приборов ведутся во всех ведущих странах мира. Несмотря на достигнутый прогресс в области получения нитридов металлов третьей группы, технология выращивания этих материалов и приборных структур на их основе требует дальнейшего развития, тем более, что оптимальные условия процессов в любых методах роста и конструкции приборных гетероструктур в основном остаются технологическими секретами отдельных ростовых групп и каждой группе приходится решать проблемы, как правило, самостоятельно.

В России метод МЛЭ для выращивания нитридов используют лишь две научные группы, кроме группы, в которой работает автор: в ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург (МЛЭ с плазменным источником азота) и в ИФП СО РАН, Новосибирск (МЛЭ с использованием аммиака). В этих группах выращены слои и гетероструктуры: GaN, InGaN, AlGaN, GaN/InGaN, GaN/AlGaN (ФТИ), GaN, GaN/AlGaN (ИФП). Сообщения о получении гетероструктур GaN/fnGaN методом аммиачной МЛЭ, а также транзисторных гетероструктур с двойным электронным ограничением AlGaN/GaN/AlGaN любым методом в России к началу данной работы отсутствовали.

Основной целью работы являлась разработка принципов построения гетероструктур в системе III-N на сапфировых подложках, обеспечивающих улучшение приборных свойств, и их экспериментальная реализация путем выращивания методом аммиачной МЛЭ.

Достижение поставленной цели требовало решения ряда основных задач:

1. Исследование особенностей кинетики роста слоев GaN при рекордно высоких для МЛЭ температурах подложки и потоках аммиака и их влияния на свойства гетероструктур GaN/AlGaN.

2. Исследование влияния условий роста слоев InGaN на свойства гетероструктур GaN/InGaN для светоизлучающих приборов.

3. Разработка и оптимизация конструкции и условий получения структур с двойным электронным ограничением в системе GaN-AlN для мощных полевых транзисторов.

В результате проведенных исследований установлен ряд ранее неизвестных особенностей эпитаксиального роста и свойств эпитаксиальных структур III-N. Научная новизна работы.

1. Исследована зависимость свойств слоев GaN от условий выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота и впервые установлены оптимальные (по подвижности электронов в GaN) условия роста при рекордной для данного метода температуре подложки вплоть до 960 °C.

2. Обнаружено, что увеличение температуры роста до значений, близких к началу заметного термического разложения GaN при потоке аммиака 400 л см /мин. приводит к увеличению латеральных размеров микрорельефа поверхности в два раза при незначительном увеличении его вертикальных размеров от 4−6 нм до 6−8 нм, при этом происходит улучшение структурного совершенства слоя. Дальнейшее увеличение температуры приводит к значительному росту шероховатости поверхности.

3. Обнаружено, что выращивание гетероструктур GaN/AlGaN методом МЛЭ при максимально возможном потоке аммиака и температуре вблизи заметного термического разложения растущего слоя приводит к увеличению подвижности электронов в двумерном электронном газе. Увеличение температуры роста от 900 °C до 960 °C при одновременном увеличении потока.

3 3 аммиака от 30 см /мин. до 400 см /мин. приводит к увеличению подвижности электронов в однопереходных гетероструктурах GaN/AlGaN от 800−900.

О «У см7 В с до 1000−1100 см/В с при слоевой концентрации электронов 1,01,2 1013 см» 2 при комнатной температуре.

4. Обнаружено, что поддержание па поверхности GaN слоя металлического индия перед и в ходе роста слоя InGaN позволяет получить резкую гетерограницу GaN/InGaN.

5. Обнаружено, что выращивание на начальной стадии роста слоя A1N толщиной более 100 им при температуре 1200 °C вместо тонкого зародышевого слоя A1N, а затем выращивание переходных областей между слоями разного состава позволяют улучшить структурное совершенство слоя GaN в многослойной гетероструктуре AIN/AlGaN/GaN. При этом происходит увеличение латеральных размеров микрорельефа поверхности в два-три раза при уменьшении ею вертикальных размеров до 2−4 нм. Такая конструкция позволяет увеличить подвижность электронов в двумерном электронном газе в многослойной гетероструктуре AIN/AlGaN/GaN/AlGaN до 1550 см2/В с при слоевой концентрации электронов 1,0−1,21 013 см" 2 при комнатной температуре.

6. Впервые исследованы свойства GaN в многослойных гетероструктурах AIN/AlGaN/GaN/AlGaN в зависимости от их конструкции. Получены гетероструктуры с двойным электронным ограничением с толщиной слоя GaN 50 А с подвижностью электронов 1100—1300 см2/Вс при слоевой.

1 л концентрации электронов 1,5−1,7'10 см" при комнатной температуре.

Практическая ценность работы.

Установлены условия роста, позволяющие: получать резкие гетерограницы GaN/InGaNувеличивать подвижность электронов в транзисторных гетероструктурах с двойным электронным ограничением. Научные положения, выносимые на защиту.

1. Для увеличения поверхностной подвижности атомов и выращивания структурно совершенных слоев GaN необходимы максимально возможные температуры роста, еще не приводящие к термическому разложению GaN и развитию шероховатости поверхности. Таким образом, для выращивания однопереходных гетероструктур GaN/AlGaN с высокой подвижностью электронов методом аммиачной МЛЭ наиболее благоприятным является N-обогащенный режим роста, обеспечивающий приближение к кривой температур термического разложения GaN на фазовой диаграмме со стороны максимальных потоков аммиака.

2. Для получения резких гетерограниц GaN/InGaN и увеличения мольной доли индия в «тонких» (<100 нм) слоях InGaN необходимо поддержание на ростовой поверхности «смачивающего» слоя металлического индия.

3. Увеличение барьера для электронов в канале со стороны буферного слоя является необходимым условием предотвращения причин СВЧ-" коллапса" тока, связанных с захватом электронов на «глубокие» ловушки. Увеличение электронного ограничения при помощи компенсирующего легирования буферного слоя GaN приводит к возникновению дополнительных ловушек, поэтому более эффективными являются двойные гетероструктур ы AlGaN/GaN/AlGaN, дополнительное ограничение в которых достигается за счет изгиба зон под влиянием поляризационных полей.

4. Термодинамические ограничения повышения температуры начального этапа эпитаксии GaN, препятствующие эффективной коалесценции исходных зародышевых блоков, могут быть преодолены путем замены традиционных тонких нуклеационных слоев более толстыми слоями термически устойчивого соединенияA1N. Это способствует кардинальному улучшению кристаллического совершенства нитридных слоев, в частности, подвижность электронов в гетероструктурах AIN/AlGaN/GaN/AlGaN с двумерным электронным газом увеличивается более чем на 50%.

5. Максимальное электронное ограничение, необходимое для получения транзисторов, неподверженных «коллапсу» тока, достигается в гетероструктурах с квантово-размерным каналом GaN, что косвенно подтверждается отсутствием нетель гистерезиса на В АХ транзисторов. При этом, толщина канального слоя GaN которого должна быть меньше критической толщины релаксации, а профиль состава вблизи квантовой ямы исключать образование в ней паразитной дырочной проводимости, которая образуется на нижней гетерогранице A]xGaj.xN/GaN при высоких значениях х.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

— IV Всероссиских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминия-структуры и приборы» (Москва, Санкт-Петербург, 2001;2007).

— 3-ей, 4-ой, 5-ой и 6-ой Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой оптои наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2001;2004).

— Межвузовских научных конференциях (Санкт-Петербург, 2001;2004).

— Международном симпозиуме по нитридным полупроводникам «IWSN» .

Питтсбург, США, 2004).

14-м международном симпозиуме «Nanostructures: physics and technology» (Санкт-Петербург, 2006) — 9-ой конференции «GaAs и полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 2006).

Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах. Структура и объем.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 114 страницах, включая 75 страниц текста, 39 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 70 наименований.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Установлено, что для выращивания совершенных слоев GaN и гетероструктур GaN/AlGaN с высокой подвижностью электронов наиболее благоприятным является N-обогащенный режим роста, обеспечивающий приближение к кривой температур термического разложения GaN на фазовой диаграмме со стороны максимальных потоков аммиака. В частности, увеличение температуры подложки до 960 °C при потоке аммиака 400 о см /мин. на использующейся в работе установке STE3N2 позволило получить гетероструктуры GaN/AlGaN с подвижностью электронов 1000—1100 см2/В с при слоевой концентрации 1,0−1,21 013 см" 2.

2. Показано, что поддержание на поверхности GaN так называемого «смачивающего» слоя индия перед и в ходе роста InGaN позволяет получить резкую гетерограницу GaN/InGaN и увеличить содержание индия в «тонких» слоях InGaN на GaN. Установлены базовые условия роста слоев InGaN для активной области светоизлучающих приборов сине-фиолетовой области спектра;

3. Необходимым условием предотвращения причин СВЧ-" коллапса" тока, связанных с захватом электронов на «глубокие» ловушки, является увеличение барьера для электронов в канале. Использование компенсирующего легирования буферного слоя GaN для увеличения электронного ограничения приводит к возникновению дополнительных ловушек. Более эффективными являются двойные гетероструктуры AlGaN/GaN/AlGaN, дополнительное ограничение в которых достигается за счет изгиба зон под влиянием поляризационных полей;

4. Замена традиционных тонких нуклеационных слоев более толстыми слоями термически устойчивого соединения — A1N позволяет преодолеть термодинамические ограничения повышения температуры начального этапа эпитаксии GaN, препятствующие эффективной коалесценции исходных зародышевых блоков. Это приводит к значительному улучшению кристаллического совершенства нитридных слоев и, в частности, позволяет увеличить подвижность электронов в многослойных гетероструктурах (МГС) AIN/AlGaN/GaN/AIGaN с двумерным электронным газом с толщиной GaN л IT'}.

150нмдо 1550 см /В с при слоевой концентрации 1,0−1,210 см" .

5. Для получения транзисторов, неподверженных «коллапсу» тока необходимо максимально увеличить электронное ограничение, что может быть достигнуто в гетероструктурах с квантово-размерным каналом GaN. При этом, толщина канального слоя GaN должна быть меньше критической толщины релаксации, а профиль состава вблизи квантовой ямы исключать образование в ней паразитной дырочной проводимости, которая образуется на нижней гетерогранице AlxGai. xN/GaN при высоких значениях х. В результате оптимизации конструкции получена МГС с толщиной канального слоя GaN 5 нм, подвижность в которой находится на уровне 1100−1300 см2/В с.

13 2 при слоевой концентрации электронов 1,5−1,710 см". На основе таких МГС созданы транзисторы со статическими параметрами, сравнимыми с лучшими результатами на основе «классических» однопереходных структур. При этом отсутствие петель гистерезиса на ВАХ транзисторов указывает на уменьшение эффекта «коллапса» тока.

Заключение

.