Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время свойства тонких пленок GaN, InN и InNGai-NN интенсивно исследуются с целью совершенствования уже существующих и создания новых типов оптоэлектронных приборов. Дальнейшее развитие технологий получения нитридных пленок и создания эффективных приборов на их основе тесно связано с проблемой разработки новых методов формирования слоев InxGai_NN на различных подложках и оптимизации технологических условий, обеспечивающих высокую воспроизводимость структуры и свойств осаждаемых пленок. Остается актуальным и снижение стоимости производства за счет применения более простого оборудования и более удобных в обращении исходных реагентов.
Анализ литературы показывает, что одним из наиболее распространенных методов получения нитридных пленок в настоящее время является химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ) с использованием галогенсодержащих исходных реагентов. К числу таких реагентов относятся легко синтезируемые и удобные в работе моноаммиакаты хлоридов галлия и индия (МХГ и МХИ), пиролизующиеся с образованием соответствующих нитридов. Основной проблемой такого варианта ХОГФ остается недостаточная изученность механизма пиролиза, затрудняющая оптимизацию технологических условий получения GaN и InN. Возможности осаждения пленок твердых растворов In4GaiAN в галогенсодержащих системах исходных реагентов практически не исследованы.
Несмотря на большой объем публикаций, посвященных получению
нитридов галлия и индия в галогенсодержащих системах, лишь в некоторых из
них затрагиваются вопросы, касающиеся механизма осаждения. Однако
сделанные в этих работах выводы, как правило, являются простой констатацией
характера влияния тех или иных исходных параметров на конечный результат и
в более общем случае оказываются неадекватными. Причиной зачастую
является некорректность применяемых методик, не учитывающих изменения
технологической среды, в которой происходит осаждение, что в конечном итоге
не позволяет раскрыть истинного характера установленных закономерностей. В
большинстве случаев в процессах ХОГФ из-за одновременного протекания
нескольких химических реакций реакционная газовая среда имеет сложный
состав, зависящий не только от задаваемых технологических факторов, но и от
геометрии реактора, характера температурных и концентрационных полей и т.д.
Поэтому для понимания наблюдаемых закономерностей осаждения в первую
очередь необходима информация о составе газовой фазы, образующейся
непосредственно в реакционной зоне. Предварительные исследования
показывают, что в качестве метода in situ диагностики рассматриваемых систем
Ga(In)-Cl-N-H может быть использована абсорбционная УФ-спектроскопия
газовой фазы. 3
Целью работы является:
создание модельных представлений о механизме пиролиза моноаммнакатов хлоридов галлия и индия на основе результатов изучения реакционной среды методом in situ абсорбционной УФ-спектроскопии,
разработка на основе полученной модели метода формирования гетероструктур Ga4In|.xN/Si, позволяющей изменять состав гетерослоя в широких пределах (от GaN до InN),
определение электрических и фотоэлектрических характеристик полученных гетероструктур с целью оценки возможностей их практического применения.
Для достижения поставленной цели необходимо:
исследовать методом абсорбционной УФ-спектроскопии состав газовой фазы, образующейся непосредственно в ходе пиролиза моноаммнакатов хлоридов галлия и индия;
на основе анализа полученных данных установить роль отдельных газообразных реагентов в протекании указанных процессов;
проверить полученные данные путем экспериментального изучения зависимостей скорости осаждения пленок GaN и InN, основанного на пиролизе указанных моноаммиакатов, от изменения внешних технологических факторов;
сформулировать модельные представления о механизме осаждения пленок GaN и InN, основанного на пиролизе МХГ и МХИ, а также определить оптимальные условия, при которых возможно осаждение пленок твердых растворов InxGai.xN разного состава, основанное на совместном пиролизе указанных реагентов;
экспериментально проверить полученные данные путем осаждения пленок In4Gai.NN разного состава, основанного на совместном пиролизе МХГ и МХИ в реакторе с холодными стенками;
исследовать основные свойства полученных пленок и гетероструктур />Si//i-In4Gai_NN и оценить перспективы их практического использования.
Объектами исследования в настоящей работе являются:
реакционная газовая среда, образующаяся в результате протекания химических реакций в системах "Ga(In)-Cl-N-H-Ar" при различных условиях;
пленки In4GaiAN (0<х<1), осаждающиеся на различных подложках при протекании пиролиза моноаммиакатов хлоридов галлия и индия;
гетероструктуры /5-Si/«-InxGa|.NN, сформированные осаждением указанных пленок на подложки (100)Si.
Методы исследований обеспечивают получение информации о составе газовоіі (разы в ходе осаждения, его кинетике, а также о составе и свойствах тонких пленок и характеристиках гетероструктур. В работе использованы:
абсорбционная и отражательная спектроскопия в УФ, видимой и ИК областях спектра,
эллипсометрия и интерферометрия; ,
Оже-электронная спектроскопия;
метод Ван-дер-Пау измерения электрических параметров пленок;
методы измерения электрических (ВАХ) и фотоэлектрических (спектральная чувствительность и время фотоответа) свойств гетероструктур.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведена in siiu диагностика состава реакционной среды непосредственно в процессе ХОГФ пленок GaN и InN, реализуемого путем пиролиза GaCbNHj и InCbNHj. Основываясь на полученных данных, впервые предложены наиболее полные модельные реакционные схемы указанных процессов, хорошо согласующиеся с результатами исследования кинетики осаждения пленок GaN и InN в реакторе с холодными стенками. С учетом полученных модельных представлений разработан новый метод осаждения пленок твердых растворов InxGai-xN в широком диапазоне составов (0<х<1), основанный на совместном пиролизе GaCbNbb и InCbNHb в реакторе с холодными стенками. В работе впервые исследованы электрические и фотоэлектрические свойства гетероструктур /?-Si/n-InsGai-xN.
Практическая значимость работы состоит в возможности применения полученных модельных представлений для оптимизации конструкций аппаратуры и технологических условий осаждения пленок In.vGai-\N (0<х<1) в хлорсодержащих системах исходных реагентов. Определенные в работе характеристики гетероструктур /;-Si/«-In.4Gai-\N представляют интерес для дальнейшего исследования возможности их использования в качестве фоточувствительных элементов видимого диапазона спектра.
На защиту выносятся:
результаты экспериментального исследования состава реакционной среды, образующейся при пиролизе моноаммиакатов хлоридов галлия и индия, осуществляемом в различных условиях:
результаты экспериментального исследования влияния технологических факторов на скорость роста пленок GaN и InN, основанного на пиролизе соответствующих моноаммиакатов в реакторе с холодными стенками;
модельные реакционные схемы процессов осаждения пленок GaN и InN, основанного на пиролизе GaCbNI-b и InCbNbb, позволяющие обоснованно объяснить характер влияния внешних технологических факторов на изменения состава газовой фазы в зоне осаждения и, как следствие, изменение скорости роста пленок;
результаты экспериментального исследования закономерностей осаждения пленок In.4Gat-4N, основанного на совместном пиролизе GaCbNIb и InCbNH? в реакторе с холодными стенками, в частности влияния условий получения на состав и основные свойства пленок;
результаты исследования электрических и фотоэлектрических свойств гетероструктур/?-Si//T-InsGai-xN, сформированных осаждением на подложки (100)Si пленок InxGai-xN разного состава (0<х<1), в частности, зависимости
указанных свойств от состава широкозонного слоя.
Апробация работы Основные положения работы представлены на:
Российской НТ конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", г. Санкт-Петербург, 1995 г.
Международных конференциях "EUROCVD-10", г.Венеция, 1995г., и "EURO CVD-11", г. Париж (Франция), 1997г.
1 Городской научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, г. Санкт-Петербург, 1997г.
Публикации- По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и тезисы 4 докладов, одна статья принята к публикации.
Струїстура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 168 страницах, содержат 43 рисунка и 4 таблицы. Список литературы состоит из 116 наименований.
