Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых растворов и гетероструктур на основе нитридов al и ga для интегральных газовых сенсоров
На правах рукописи
Залозный Александр Николаевич
МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ Al И Ga 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
Нальчик – 2011
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 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».
Автореферат разослан «___» _________ 20__ г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат химических наук 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 (АIIIN), а именно AlN, 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 АIIIN широкого распространения в газовой сенсорике не получили. Это связано с рядом существующих проблем, одной из которых является отсутствие дешевых подложек из AIIIN, 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 слоев AIIIN.
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 AlN, GaN и AlGaN. Полученные результаты позволяют синтезировать эпитаксиальные слои AlN, GaN и AlGaN высокого качества, обладающие огромным потенциалом для создания высокочувствительных газовых сенсоров.
Цель работы.
Установление влияния технологических факторов роста эпитаксиальных слоев AlN, 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.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- определить влияние технологических параметров процесса роста зародышевых эпитаксиальных слоев AlN, выращенных на подложках Al2O3 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 AlN 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 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 H2) разработанной гетероструктуры AlGaN/GaN и сравнить результаты с существующим аналогом.
Научная новизна:
- исследована зависимость кинетики роста слоев AlN, 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 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, AlN 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 оС), обладающие высокой чувствительностью к H2 (концентрация 0,5 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 AlN, GaN, AlGaN;
- характер влияния градиентных слоев на подвижность носителей заряда в канале с двумерным электронным газом гетероструктур AlGaN/GaN;
- статические и динамические газочувствительные характеристики разработанных гетероструктур AlGaN/GaN, 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 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.
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 AlGaN/GaN в диодном и транзисторном исполнении, а также показаны преимущества использования газовых сенсоров транзисторного исполнения. Приведены фундаментальные физические свойства материалов: GaN, AlN, и AlGaN. Представлен обзор работ, посвященных процессам дефектообразования слоев твердых растворов AIIIN. Рассмотрена теория электронного ограничения гетероперехода AlGaN/GaN, а также механизм газовой чувствительности в данных структурах. Проанализированы основные методы синтеза твердых растворов соединений AIIIN.
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 эпитаксиального выращивания и исследования свойств полученных образцов.
Технологические установки для осуществления полного цикла процессов создания гетероструктуры AlGaN/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 1 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 ПГС 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 I(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 0,9. 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 0,9 определялась графически по диаграммам I(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 газа 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 I(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 (IH2) (S = IN2/IH2).
Третья глава посвящена изучению влияния технологических параметров процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием NH3 в качестве источника азота на морфологию поверхности эпитаксиальных слоев AlN, GaN и AlGaN.
Первой задачей работы являлось определение технологических параметров роста эпитаксиальных слоев AlN, выращенных на подложках Al2O3 (0001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением NH3 в качестве источника азота. Схематическое изображение гетероструктуры представлено на рисунке 2.
 |
| Рисунок 2 Схематическое изображение исследуемой структуры |
Параметрами оптимизации эпитаксиального слоя AlN являлись: температура подложки (Тподл), поток NH3 (FNH3) и толщина слоя (h).
Влияние потока NH3 на свойства эпитаксиального слоя AlN было исследовано при температуре подложки 900 0С; толщина эпитаксиальных слоев 1 мкм; диапазон изменения потока NH3 составлял от 15 до 400 см3/мин.
Зависимость среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиальных слоев AlN от различных значений потока NH3, вычисленная по данным атомно-силовой микроскопии (АСМ), представлена на рисунке 3.
Из рисунка 3 видно, что увеличение потока от 15 до 60 см3/мин сопровождается снижением значения среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиального слоя AlN от 6,3 до 0,21 нм. Это связано с уменьшением термического испарения Al и повышением скорости зародышеобразования AlN.
Увеличение потока NH3 от 60 до 400 см3/мин вызывает огрубление поверхности растущего слоя AlN, связанного со снижением поверхностной подвижности атомов Al и увеличением зародышей, модифицирующих структуру поверхности.
  |
| Рисунок 3 Зависимость среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиальных слоев AlN от различных значений потока NH3 при температуре подложки 900 0С |
Таким образом, оптимальным значением потока NH3 для роста эпитаксиальных слоев AlN на сапфировых подложках является 60 см3/мин.
Далее была определена зависимость морфологии поверхности эпитаксиальных слоев AlN от температуры подложки: FNH3 = 60 см3/мин; hAlN = 1 мкм; температура подложки варьировались в диапазоне от 600 до 1200 0С.
 |
| Рисунок 4 Зависимость среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиальных слоев AlN от различных значений температуры подложки при потоке NH3 60 см3/мин |
Из рисунка 4 видно, что увеличение температуры подложки при фиксированном потоке NH3 снижает скорость зародышеобразования за счет увеличения подвижности атомов Al, что приводит к увеличению содержания зародышей, реплицирующих структуру поверхности, и, как следствие, к повышению степени кристалличности материала.
Диапазон температур от 900 до 1200 0С характеризуется стабилизацией значения среднеарифметической шероховатости поверхности на уровне 0,21 нм, 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).
 |  |  |  | ||
| 1 минута | 8 минут | 15 минут | 22 минуты | ||
| а) | |||||
 |  |  |  | ||
| 1 минута | 8 минут | 15 минут | 22 минуты | ||
| б) | |||||
| Рисунок 5 Картина ОДБЭ в течение роста AlN при различных температурах подложки: а) Тподл = 900 0С; б) Тподл = 1200 0С Из рисунка 5 видно, что при повышении температуры подложки от 900 до 1200 0С увеличивается скорость перехода из осторовкового в послойный рост. Так при температуре подложки 1200 0С 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 Al и N к моноатомной ступени. Вид растущих ступеней представлен на рисунке 6. | |||||
 |  | ||||
| а) | б) | ||||
Рисунок 6 Изображения поверхности образца AlN толщиной 1 мкм, выращенного при температуре подложки 1200 0С и потоке NH3 60 см3/мин: а) СЭМ; б) АСМ
Таким образом, оптимальными параметрами роста эпитаксиальных слоев AlN являются: Тподл = 1200 0С; FNH3 = 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 AlN варьировалась в диапазоне от 10 до 250 нм. Результаты исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1 Среднеарифметическая шероховатость поверхности эпитаксиальных слоев AlN различной толщины, выращенных при оптимальных условиях (Тподл = 1200 0С; FNH3 = 60 см3/мин) на сапфировых подложках
| № обр. | Толщина слоя, нм | 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 AlN 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 AlN на сапфировой подложке, нитрид алюминия оседает на поверхность в виде конгломератов атомов. По мере роста зародышей создаются трехмерные островки с некоторым значением краевого угла (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.
 |
| Рисунок 7 Схематическое изображение трехмерного островка AlN на сапфировой подложке |
Анализ результатов, представленных в таблице 1, указывает на то, что наноразмерные эпитаксиальные слои AlN толщиной от 10 до 100 нм обладают наибольшей развитостью поверхности, что связано с зарождением и постепенным ростом островков на поверхности подложки Al2O3. Более толстых слои AlN (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 AlN. 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 AlN.
Таким образом, оптимальной толщиной зародышевого слоя AlN, выращенного на сапфировой подложке, является толщина, равная 200 нм.
Второй задачей исследований является оптимизация условий роста активного слоя GaN. Схематическое изображение гетероструктуры представлено на рисунке 8, где зародышевый слой AlN толщиной 200 нм был выращен при оптимальных условиях (Тподл = 1200 0С; FNH3 = 60 см3/мин)
 |
| Рисунок 8 Схематическое изображение структуры для определения оптимальных условий роста эпитаксиальных слоев GaN. Толщина зародышевого слоя AlN 200 нм, выращенного при оптимальных условиях |
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 0С) и умеренном потоке NH3 (50 см3/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 NH3 (для предотвращения испарения GaN) от 860 до 760 0С.
 |
| Рисунок 9 Определение температуры начала термического испарения GaN в вакууме: 1 остановка роста; 2 начало испарения GaN; 3 прекращение испарения GaN; 4 включение потока NH3 (продолжение роста) |
После этого поток NH3 был перекрыт, и температура подложки повышалась. Температура начала термического испарения GaN (рисунок 9 точка 2) фиксировалась по началу процесса испарения эпитаксиального слоя GaN (840 0С).
 |
| Рисунок 10 Зависимость скорости роста от потока NH3 при температуре 830 0С. Область I соответствует Ga - обогащенному (N - обедненному) режиму; область II N - обогащенному режиму |
Далее температура подложки была понижена до температуры 830 0С и зафиксирована. При данной температуре подложки испарение слоя GaN прекратилось. Таким образом, было экспериментально определено, что температура начала термического испарения эпитаксиального слоя GaN, выращенного на структуре, схематическое изображение которой изображено на рисунке 8, при выключенном потоке NH3 соответствует 830 0С.
Результаты исследования зависимости скорости роста GaN от потока NH3 при постоянном потоке Ga представлены на рисунке 10.
Из рисунка 10 видно, что переход из N – обедненного в N - обогащенный режим роста происходит при FNH3 = 10 см3/мин. Увеличение потока NH3 от 10 до 400 см3/мин не приводит к изменению скорости роста эпитаксиального слоя GaN, что указывает на то, что рост происходит в режиме молекулярного течения.
 |
Рисунок 11 Зависимость температуры начала разложения эпитаксиального слоя GaN во время роста от потока NH3  |
| Рисунок 12 Зависимость среднеарифметической шероховатости поверхности эпитаксиального слоя GaN от потока NH3 при температуре подложки 970 0С |
На рисунке 11 представлена зависимость температуры начала разложения эпитаксиального слоя GaN от потока NH3 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 NH3. При этом в точке перехода температура подложки и поток NH3 совпадают с температурой и потоком NH3, при которых происходит начало термического разложения GaN. Это связано с тем, что азот является более летучей компонентой по сравнению с Ga и при увеличении температуры роста на поверхности растущего слоя появляется недостаток азота, что приводит к термическому разложению GaN.
Для подавления термического разложения 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 AlN) влияет главным образом на поверхностную среднеарифметическую шероховатость растущих пленок: недостаток NH3 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 увеличивает 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 0С; FNH3 = 400 см3/мин.
 |
| Рисунок 13 Схематическое изображение исследуемой структуры для определения оптимальных условий роста эпитаксиальных слоев AlGaN |
Полученные результаты по росту бинарных слоев AlN, GaN в ходе которых были определены оптимальные значения потока NH3 и температуры подложки, использовались при росте слоев тройного соединения AlGaN.
Схематическое изображение исследуемой гетероструктуры представлено на рисунке 13. В данной структуре эпитаксиальные слои AlN и GaN были выращены при оптимальных условиях (для AlN FNH3 = 60 см3/мин, Тподл = 1200 0С; для GaN FNH3 = 400 см3/мин, Тподл = 970 0С) и имели толщины 200 нм и 1 мкм соответственно.
Результаты зависимости температуры начала термического разложения при различных потоках NH3 представлены на рисунке 14. Из рисунка видно, что начало термического разложения различных материалов (GaN, Al0,3Ga0,7N и Al0,5Ga0,5N) 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 AlGaN от температуры, аналогична зависимости для слоев GaN. При одновременном увеличении температуры и потока NH3 происходит укрупнение размеров микрорельефа поверхности растущего эпитаксиального слоя. В свою очередь при увеличении содержания Al (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 AlGaN, связанного с уменьшением коэффициента вхождения Ga в растущий эпитаксиальный слой.
 |
| Рисунок 14 Зависимость температуры начала термического разложения от потока NH3 для слоев GaN и AlGaN |
Необходимо также отметить, что при росте образцов с высокой мольной долей Al (Al0,5Ga0,5N) наблюдалось отслоение эпитаксиального слоя от поверхности подложки.
Таким образом, оптимальными параметрами роста эпитаксиальных слоев Al0,3Ga0,7N на слоях GaN являются: FNH3 = 400 см3/мин; Тподл = 1010 0С.
Несмотря на общее снижение среднеарифметической шероховатости поверхности в системе: Al2O3-AlN-GaN-AlGaN, изображенной на рисунке 11, по средствам отработки оптимальных технологических параметров роста эпитаксиальных слоев, выращивание слоев GaN непосредственно на зародышевых слоях AlN сопряжено с трудностями из-за различия в параметрах кристаллических решеток данных материалов, что влияет на электрофизические параметры гетероструктур AlGaN/GaN.
На рисунке 15 представлены результаты исследований влияния конструкции гетероструктуры на подвижность электронов в канале с двумерным электронным газом.
а) б) в) г)
Рисунок 15 – Влияние конструкции гетероструктуры на подвижность электронов в двумерном электронном газе: а) 579 см2/В с; б) 600 см2/В с; в) 720 см2/В с; г) 1010 см2/В с.
Из рисунка видно, что использование слоя Al0,3Ga0,7N (двойное электронное ограничение) и градиентных слоев способствует снижению процесса растрескивания зародышевого слоя AlN.
 |
| а) |
 |
| б) |
 |
| в) |
| Рисунок 16 АСМ изображения поверхности верхнего слоя AlGaN при различных конструкциях переходов в буферной части гетероструктур AlGaN/GaN: а переход: подложка-AlN-GaN-AlGaN; б переход: подложка-AlN-AlGaN-GaN-AlGaN; в переход: подложка-AlN-градиент-AlGaN-градиент-GaN-AlGaN |
C точки зрения поверхностной шероховатости, выращивание AlN на начальных стадиях роста, а также использование градиентных слоев значительно улучшает поверхностную шероховатость всей гетероструктуры. Среднеарифметическая шероховатость поверхности уменьшилась практически вдвое (рисунок 16).
Использование вставки AlN толщиной 1 нм между слоями GaN и AlGaN оказывает существенное влияние на подвижность носителей заряда (подвижность носителей заряда в канале с ДЭГ увеличилась от 1010 до 1600 см2/Вс), обусловленное эффектом туннелирования электронов. Это, в первую очередь, связано с размерным эффектом: очень тонкие пленки AlN не являются сплошными, а состоят из отдельных островков (гранул), которые имеют вид дисков и обладают малой толщиной. Основной механизм переноса электронов, определяющий удельное сопротивление наноразмерной пленки AlN, обусловлен перемещением электронов от одного островка к другому через пустоты, заполненные проводящим материалом AlGaN.
Таким образом, если в пределах каждого островка имеются свободные электроны, то их суммарный заряд будет полностью скомпенсирован зарядом положительных ионов кристаллической решетки и пленка AlN в целом будет электрически нейтральной. 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 AlN. Следовательно, переход электронов от одного нейтрального островка к другому возможен только для тех, которые возбуждены на энергетических уровнях, лежащих 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 AlGaN/GaN, схематическое изображение которой представлено на рисунке 18 а.
 |
| Рисунок 17 Зависимости электрофизических характеристик ДЭГ от толщины слоя GaN |
Из рисунка 17 видно, что электрофизические параметры эпитаксиальных пленок GaN в диапазоне толщин от 10 до 1000 нм носят нелинейный характер. Увеличение толщины наноразмерных эпитаксиальных пленок GaN от 10 до 100 нм приводит к резкому повышению подвижности носителей заряда от 80 до 1600 см2/Вс, 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 GaN была понижена до 2 нм (при толщине эпитаксиального слоя GaN 100 нм).
Таким образом, оптимальной толщиной эпитаксиального слоя GaN является значение 100 нм.
В гетероструктурах с каналом такой толщины обеспечивается подвижность электронов в канале с ДЭГ на уровне 1600 см2/Вс при слоевых концентрациях 1,41017 см-2, что в значительной степени превышает электрофизические параметры аналогов (подвижность равна 800 см2/Вс; концентрация носителей заряда 1,61012 см-2).
По результатам исследований была предложена конструкция гетероструктуры (таблица 2), обеспечивающая образование на границе слоев GaN и Al0,3Ga0,7N канала ДЭГ с плотностью 1,41017 см-2 и подвижностью 1600 см2/Вс при 300 К.
Таблица 2 Конструкция многослойной гетероструктуры AlGaN/GaN
| Слой | Толщина, нм |
| Al0,33Ga0,67N | 250 |
| AlN | 1 |
| GaN | 100 |
| Градиент (Alx,Ga1-х)N x = 0,30,1 | 70 |
| Al0,3Ga0,7N | 280 |
| Градиент (Alx,Ga1-х)N x = 1,00,33 | 140 |
| AlN | 210 |
| Al2O3 | 4000 |
Глава IV содержит анализ электрофизических свойств и газовой чувствительности гетероструктур AlGaN/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 [2].
| а) | б) |
| Рисунок 18 Схематическое изображение газочувствительных гетероструктур 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 H2. Результаты данных исследований сведены в таблице 3.
Таблица 3 Сравнительная таблица электрофизических параметров образцов, полученных в данной работе (образец A) и образцов, полученных в лаборатории Munich University of Applied Sciences (образец B) [2]
| Параметры | Образец А | Образец В [2] |
| Диапазон чувствительности H2, ppm | 0,5 – 10000 | 10 – 5000 |
| Диапазон рабочих температур, 0С | 0 – 800 | 0 – 600 |
| Время отклика, с | 4 | 10 |
| Время релаксации, с | 20 | 40 |
| Концентрация электронов в ДЭГ, см-2 | 1,41017 | 1,61012 |
| Подвижность электронов в ДЭГ, см2/Вс | 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
- Исследования морфологии поверхности эпитаксиальных слоев AlN, выращенных на сапфировых подложках показали, что оптимальными условиями процесса эпитаксии AlN являются: FNH3 = 60 см3/мин, Тподл = 1200 0С;
- Исследования морфологии поверхности эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на зародышевых слоях AlN показали, что оптимальными условиями процесса эпитаксии GaN являются FNH3 = 400 см3/мин, Тподл = 970 0С;
- Исследования морфологии поверхности эпитаксиальных слоев AlGaN, выращенных на эпитаксиальных слоях GaN показали, что оптимальными условиями процесса эпитаксии Al0,3Ga0,7N являются FNH3 = 400 см3/мин, Тподл = 1010 0С;
- Установлено, что введение градиентных слоев позволяет увеличить подвижность от 579 до 1300 см2/Вс. Также показано, что использование вставки AlN толщиной 1 нм, между слоями GaN и AlGaN оказывает существенное влияние на подвижность носителей заряда, обусловленную эффектом туннелирования электронов в канале с ДЭГ, таким образом подвижность увеличилась от 1300 до 1600 см2/Вс;
- Исследовано влияние толщины активного слоя GaN в гетероструктуре AlGaN/GaN на электрофизические свойства ДЭГ. Установлено, что минимальной толщиной слоя GaN является 100 нм, обеспечивающая минимальное значение среднеарифметической шероховатости (2 нм);
- На основании проведенных исследований разработана конструкция гетероструктуры AlGaN/GaN с подвижностью 1600 см2/Вс и концентрацией носителей заряда 1,41017 см-2 в канале с ДЭГ, обладающая высокой газовой чувствительностью (до 0,5 ppm) и работающая в широком диапазоне температур от 0 до 800 0С.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
- Сенсорный датчик водорода на основе гетероструктуры AlGaN/GaN с Pt затвором для использования в экстремальных условиях / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2010. – Т.2. №103. – С. 168-176.
- Исследование электрофизических свойств газочувствительной гетероструктуры AlGaN/GaN с платиновым затвором для детектирования малых концентраций водорода / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев // Вестник СевКавГТУ. – 2010. – Т.3. №24. – С. 50-54.
- Влияние температуры и потока NH3 на рост эпитаксиальных слоев AlN методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев, Л.М. Баязов // Вестник СевКавГТУ. 2011. Т.4. №29. С. 14-19.
- Пат. 98244 RU: МКП G 01 N 27/00. Газовый сенсор на основе гетероструктуры AlGaN/GaN / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, Д.М. Красовицкий. Заявл. 04.06.10; опубл.10.10.10.
Прочие публикации:
- Залозный А.Н. Моделирование зонных диаграмм в многослойных гетероструктурах GaN/InGaN/AlGaN / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев, М.А. Лайпанов, Н.В. Кот // Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. IX международной науч. конф. г. Кисловодск, 2009. С. 213-215.
- Залозный А.Н. Моделирование процесса испарения алюминия из источника на установке для МЛЭ «ЦНА» / А.Н. Залозный, Н.В. Кот, В.Ю. Павлюк, И.В. Касьянов // Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. IX международной науч. конф. г. Кисловодск, 2009. С. 200-201.
- Залозный А.Н. О возможности эпитаксиального получения структурированного массива квантовых точек / А.Н. Залозный, М.А. Лайпанов, М.Н. Черкашин // Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. IX международной науч. конф. г. Кисловодск, 2009. С. 381-382.
- Залозный А.Н. Электрофизические свойства сенсора водорода на основе гетероструктуры AlGaN/GaN с Pt затвором / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, Д.М. Красовицкий // Перспективные системы и задачи управления: Тез. докл. V Всероссийской науч.-практ. конф. г. Таганрог, 2010. С. 231- 234.
- Залозный А.Н. Исследование отношений потоков испаряемых материалов, а также диапазона температур подложки при создании высокочувствительных газовых сенсоров методом молекулярно-лучевой эпитаксии / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев, С.Э. Деркачев, Л.М. Баязов // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. X юбилейной международной науч. конф. г. Ставрополь, 2010. С. 202-204.
- Залозный А.Н. Исследование газочувствительных свойств газового сенсора на основе гетероперехода AlGaN/GaN / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, С.Э. Деркачев // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. X юбилейной международной науч. конф. г. Ставрополь, 2010. С. 207-209.
- Залозный А.Н. Исследование электрофизических свойств газочувстительного сенсора на основе гетероперехода AlGaN/GaN / А.Н. Залозный, М.Д. Бавижев, С.И. Рембеза, С.Э. Деркачев, Л.М. Баязов // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии: Тез. докл. X юбилейной международной науч. конф. г. Ставрополь, 2010. С. 209-211.
Цитируемая литература:
1. Insulated gate III-N heterostructure field-effect transistors / G. Simin, M.A. Khan, M.S. Shur, R. Gaska //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, O. Ambacher, 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» Красовицкому 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 27.12.2012 г.
Формат 60х84 1/16 Усл. печ. л. 1,5 Уч.- изд. – 1,0
Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 456 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 СевКавГТУ
