Введение к работе
Актуальность темы.
Благодаря большим значениям ширины запрещенной зоны, высокой термической и радиационной стойкости, высоким значениям пробивных полей и поляризационных эффектов нитриды металлов третьей группы (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 А N широкого распространения в газовой сенсорике не получили. Это связано с рядом проблем, одной из которых является отсутствие дешевых подложек из AluN, 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 AnlN, а также инертность материала к жидким травителям и трудности при создании омических контактов с низким значением удельного сопротивления, что усугубляет существующее положение дел при использовании А N в газовой сенсорике.
Между тем, при использовании таких технологических приемов, как создание зародышевых и градиентных слоев, а также в зависимости от режимов процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота можно получить высококачественные слои А N (в частности AIN, GaN, AIGaN), обладающие огромным потенциалом для создания высокочувствительных газовых сенсоров. Однако, без проведения всесторонних исследований, посвященных определению влияния режимов процесса молекулярно-лучевой эпитаксии на эпитаксиальные слои All,N, и изучения структурно-чувствительных свойств этих материалов невозможна оптимизация условий получения гетероструктур с заданными характеристиками, а, следовательно, и их массовое использование в газовой сенсорике.
Цель работы.
Установление влияния технологических факторов роста слоев твердых растворов соединений 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 гетероструктур, применяемых в газовой сенсорике.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-определить влияние технологических параметров процесса роста эпитаксиальных слоев AIN, выращенных на подложках А1203 методом молекулярно-лучевой эпитаксии с применением аммиака в качестве источника азота, на морфологию поверхности;
: 3
-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;
-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 AlGaN/GaN и сравнить результаты с существующим аналогом.
Научная новизна:
-впервые исследована зависимость кинетики роста слоев A1N, GaN и AlGaN от технологических параметров синтеза методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака в качестве источника азота, и впервые установлены оптимальные условия роста для этих материалов;
-впервые предложена конструкция гетероструктуры для применения в газовой сенсорике, включающая в себя зародышевые и градиентные слои;
-установлено влияние конструкции гетероструктуры AlGaN/GaN на подвижность электронов в двумерном электронном газе.
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, A1N и их твердого раствора 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 + 10000 ррт) и временем отклика 4 с, 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 A1N, GaN, AIGaN;
-характер влияния градиентных слоев на подвижность носителей заряда в двумерном электронном газе 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.
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 фанта: 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 от01.12.2011 г.
Апробация результатов исследований.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Северо-Кавказского государственного технического университета (Ставрополь, 2009, 2010 г.г.); международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск 2009, Ставрополь, 2010 г.); региональной научно-технической конференции «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону» (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 22 работы (из них 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ), в том числе: 1 патент РФ и 18 тезисов докладов на международных, российских и региональных научно-технических
