Введение к работе
Актуальность работы.
Нитриды третьей группы (InN, GaN, A1N) и твердые растворы на их
основе являются объектами интенсивного исследования из-за их уникальных
свойств. Одним из наиболее значимых преимуществ является широкий
диапазон изменения ширины запрещенной зоны от 1,95 до 6,3 эВ в
зависимости от состава твердого раствора. Именно поэтому у данных
материалов существует значительный потенциал для использования их в
коротковолновой, электролюминесцентной, высокотемпературной,
высокомощной и высокочастотной электронике. Обширный диапазон изменения ширины запрещенной зоны, сильные связи взаимодействия и высокая теплопроводность GaN и его твердых растворов делают их особенно перспективными материалами для применения в оптоэлектронике, например в полноцветных экранах, емкостных накопителях информации, ультрафиолетовых детекторах, СВЧ-приборах, светоизлучающих и лазерных диодах, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Вследствие малой величины ковалентного радиуса N, параметр решетки кристаллов нитридов значительно меньше, чем у других полупроводниковых соединений класса AniBv, а большие значения энергии связи (2,2 эВ для GaN) являются причиной высокой температуры плавления. Кроме того молекулярный азот (N2) очень трудно растворяется в жидком галлии, даже при высоком давлении и температуре около 2000 С, что затрудняет выращивание кристаллов из расплава и скорости роста этих «объёмных» кристаллов чрезвычайно низкие, поэтому их, как правило, получают в виде монокристаллических эпитаксиальных пленок, а перечисленные приборы изготавливают на основе гетероэпитаксиальных структур.
Начиная с 60-х годов прошлого века прилагались значительные усилия
по разработке технологических процессов получения и исследования свойств
монокристаллов и эпитаксиальных слоев GaN. Однако прогресс в разработке
технологических процессов получения эпитаксиальных слоев GaN сдерживался отсутствием подходящих нитридных подложек, на которых можно было вырастить эпитаксиальные слои GaN высокого качества. Поэтому обычной практикой является гетероэпитаксиальный рост нитрида галлия на инородных подложках с большим рассогласованием решеток, таких, как сапфир (обычно использовалась грань А1203 (0001)). Наиболее распространенным методом получения толстых слоев нитрида галлия является хлоридно-гидридная эпитаксия (HVPE), обеспечивающая максимальные скорости роста. Как известно, большое несоответствие периодов кристаллических решеток и коэффициентов термического расширения подложки и наращиваемых слоев GaN приводит к существенной дефектности рабочих слоев приборов и, как следствие, к снижению их рабочих характеристик.
Поэтому в настоящей работе исследуется технологический процесс получения эпитаксиальных слоев GaN и способ получения самоотделяющихся «квазиподложек» GaN.
Цель работы:
Определение оптимальных технологических режимов эпитаксии слоев GaN на подложках сапфира, включающих: выбор конструкции источника Ga, определение влияния расхода НС1, температур источника и подложки на скорость роста слоев GaN, расположения патрубка источника по отношению к подложке и величины расхода газа-носителя азота на однородность распределения толщины слоя по диаметру подложки. Получение слоев GaN на подложках сапфира различной ориентации и исследование влияния ориентации на структурные свойства слоев GaN. Разработка метода получения самоотделяющихся слоев GaN (квазиподложек) с использованием подслоя TiN.
Научная новизна работы
1. Показано, что методом HVPE можно получать толстые, однородно
распределенные по подложке слои GaN с плотностью дислокаций 10 см" , при скорости роста -100 мкм/час.
2. Впервые комплексно проведены исследования влияния ориентации
поверхности подложки сапфира (с, a, m и г) на механизмы роста, ориентацию
поверхности слоев GaN и их структурные характеристики, а так же на
кристаллографическую ориентацию плоскостей, ограничивающих различные
дефекты структуры, такие как ямы и пирамиды роста, дефекты упаковки и
трещины.
-
Получены слои неполярного GaN на подложках сапфира г-ориентации.
-
Впервые получены неполярные самоотделяющиеся от подложки слои GaN. Показано, что использование подслоя TiN на темплейте GaN улучшает отделение выращенных на нем слоев GaN, по сравнению с использованием подслоя TiN на сапфире.
Достоверность результатов
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы
обоснована воспроизводимостью результатов роста толстых слоев нитрида
галлия на сапфире методом HVPE, а так же самоотделяющихся слоев
«квазиподложек» GaN с использованием подслоя TiN. Достоверность
структурных исследований обоснована использованием
рентгенодифракционных и металлографических методов исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методом HVPE можно получать толстые, однородно
распределенные по подложке неполярные слои GaN с плотностью
дислокаций 10 см" , при скорости роста -100 мкм/час.
2. Определены морфологические особенности дефектов в слоях GaN в
зависимости от ориентации поверхности подложки.
3. При использовании подслоя TiN можно получать толстые,
неполярные, самоотделяющиеся от подложки слои GaN.
Практическая значимость работы
Проведена оптимизация процесса HVPE для получения толстых, однородных по толщине слоев GaN на подложках сапфира с плотностью дислокаций 10 см" . Впервые проведены комплексные исследования по влиянию ориентации поверхности подложки сапфира на ориентацию поверхности слоев GaN и их структурных характеристик. Получены слои неполярного GaN ориентации (1120) на подложках сапфира г-ориентации. Разработана методика получения самоотделяющихся неполярных слоев «квазиподложек» GaN с использованием подслоя TiN.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XIII Национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2008, Москва, 17-21 ноября 2008 г.; 10-й молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 1-5 декабря 2008 г.; конференции ICDS-25, Санкт-Петербург, 20-24 июля 2009 г.; 6th Workshop on Functional and Nanostructured Materials, 10th Conference on Intermolecular and Magnetic Interactions in Matter, Sulmona-L'Aquila, Italy, 27-30 September 2009; 7-й Всероссийской конференции Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы, Москва, 1-3 февраля 2010г.; XIV Национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2010, Москва, 6-10 декабря 2010 г.; 8-й Всероссийской конференции Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы, Санкт-Петербург, 26-28 мая 2011 г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 18 работах соискателя, из них 5 статьи в изданиях, входящих в утвержденный ВАК перечень ведущих рецензируемых научных изданий
Личный вклад автора.
Автором лично проведен обзор литературных источников и
систематизированы данные по получению слоев нитрида галлия на сапфире
методом HVPE. Проведены эксперименты по подбору геометрии источника и
технологических параметров для получения однородных по толщине слоев GaN при скорости роста -100 мкм/час. Выращены слои GaN различной толщины на подложках сапфира различной (с, а, т, г) ориентации. Проведены эксперименты по получению самоотделяющихся слоев «квазиподложек» нитрида галлия, при использовании подслоя TiN. Совместно с научным руководителем сформулирована цель работы, проведено обсуждение и обобщение полученных в диссертации данных, осуществлена интерпретация результатов.
Работа поддержана:
- РФФИ 08-02-00058
-РФФИ 11-02-00718
Результаты защищены ноу-хау ОАО «Гиредмет»
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка опубликованных работ по материалам диссертации и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 121 страницу текста, включая 62 рисунка, 9 таблиц и 108 ссылок.
