Формирование и исследование свойств эпитаксиальных структур GaN/Si(111)
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………………………… 4
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………………………………………………… 11
1.1 III-N полупроводники …………………………………………………………………………………………………. 11
1.2 Основные свойства III-N материалов …………………………………………………………………………… 14
1.2.1 Кристаллографическая полярность нитридов ………………………………………………………… 17
1.3 Гетероэпитаксиальный синтез слоев III-N……………………………………………………………………. 21
1.3.1 Критерии выбора подложек для гетероэпитаксиального синтеза III-N материалов …. 21
1.3.2 Основные методы синтеза нитридов ……………………………………………………………………… 26
1.3.3 Гетероэпитаксия слоев GaN на кремниевых подложках…………………………………………. 28
1.4 МЭМС на основе материалов III-N ……………………………………………………………………………… 31
1.5 Микропрофилирование нитридов ……………………………………………………………………………….. 33
1.6 Выводы к Главе 1 ……………………………………………………………………………………………………….. 36
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ………………………………………………………………….. 37
2.1 Молекулярно-пучковая эпитаксия с плазменной активацией азота ………………………………. 37
2.2 Растровая электронная микроскопия …………………………………………………………………………… 40
2.3 Оптическая микроскопия ……………………………………………………………………………………………. 41
2.4 Фотолюминесцентная спектроскопия ………………………………………………………………………….. 41
2.5 Рентгеновская дифрактометрия …………………………………………………………………………………… 43
2.6 Холловские измерения………………………………………………………………………………………………… 43
2.7 Профилометрия ………………………………………………………………………………………………………….. 45
2.8 Вакуумное напыление металлов ………………………………………………………………………………….. 47
2.9 Химическая обработка ………………………………………………………………………………………………… 48
ГЛАВА 3 СИНТЕЗ СЛОЕВ GaN НА ПОДЛОЖКАХ Si(111) ………………………………………………… 49
3.1 Эпитаксиальные структуры GaN/НК-GaN/Si(111) ……………………………………………………….. 50
3.1.1 Морфология эпитаксиальных структур GaN/НК-GaN/Si(111) ………………………………… 51
3.1.2 Фотолюминесцентная спектроскопия ……………………………………………………………………. 55
3.1.3 Рентгеновская дифрактометрия …………………………………………………………………………….. 55
3.1.4 Электрофизические характеристики ……………………………………………………………………… 56
3.2 Эпитаксиальные структуры GaN/SixNy/Si(111) …………………………………………………………….. 57
3.2.1 Морфология эпитаксиальных структур GaN/SixNy/Si(111) …………………………………….. 59
3.2.2 Фотолюминесцентная спектроскопия ……………………………………………………………………. 64
3.2.3 Рентгеновская дифрактометрия …………………………………………………………………………….. 65
3.2.4 Электрофизические характеристики ……………………………………………………………………… 66
3.3 Выводы к Главе 3 ……………………………………………………………………………………………………….. 66
ГЛАВА 4 КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПОЛЯРНОСТЬ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ GaN
……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 68
4.1 Разработка экспресс-методики идентификации полярности эпитаксиальных слоев GaN . 69
4.2 Полярность эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на подложках Si(111) ……………….. 77
4.3 Выводы к главе 4 ………………………………………………………………………………………………………… 81
ГЛАВА 5 МИКРОПРОФИЛИРОВАНИЕ СЛОЕВ GaN …………………………………………………………. 82
5.1 Фотохимическое травление эпитаксиальных слоев GaN ………………………………………………. 82
5.2 Отделение эпитаксиальных слоев GaN от подложки ……………………………………………………. 94
5.2.1 Отделение GaN от нитридизованных подложек Si(111) …………………………………………. 94
5.2.2 Травление эпитаксиальных структур GaN/HK-GaN/Si(111) …………………………………… 97
5.3 Выводы к Главе 5 ……………………………………………………………………………………………………… 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………………. 102
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ …………………………………………….. 104
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ………………………………………. 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………………………………………… 106
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены
цель и основные задачи работы, ее научная новизна и значимость.
Сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.
Рассмотрены основные свойства III-N полупроводников и области их
применения. Показано, что синтез высококачественных структур GaN/Si
представляет значительный интерес для создания миниатюрных устройств, в
том числе предназначенных для работы в жестких условиях и агрессивных
средах.Перечисленыосновныеметодысинтеза,атакжепроблемы
гетероэпитаксиальногоростаIII-Nнакремнии.Рассмотренряд
технологических решений проблем гетероэпитаксии GaN на кремнии, в том
числе несколько новых подходов. Заключительный параграф посвящен
микропрофилированиюIII-Nгетероструктур.Рассмотреныосновные
проблемы, возникающие в результате сухого травления, которое в основном
применяют для микропрофилирования нитридов ввиду их высокой химической
стойкости. Показано, что развитие различных подходов к жидкостному
травлениюнитридовможетпозволитьрешитьпроблемыснизкой
селективностью сухого травления, а также исключить проблему формирования
ион-индуцированных дефектов в материалах.
Вторая глава посвящена экспериментальным методам и оборудованию,
использованным в ходе выполнения диссертационной работы. Приведены
характерные особенности уникальной установки МПЭ ПА промышленного
типа Veeco GEN 200, используемой для синтеза гетероструктур GaN/Si(111).
Дано краткое описание установок, использовавшихся для исследования свойств
полученных образцов, в том числе, РЭМ, рентгеновского дифрактометра,
профилометра, ФЛ, установки измерений электрофизических параметров с
помощью эффекта Холла, а также приведены методики измерений.
В третьей главе представлены результаты исследования эпитаксиальных
структур GaN/Si(111), полученных с помощью двух новых подходов к
формированию эпитаксиальных слоев GaN на подложках Si(111). Показана
возможность получения сплошных гладких слоев GaN на кремнии методом
МПЭ ПА с использованием тонкого слоя SixNy, а также массива наноколонн
(НК) GaN в качестве переходных слоев (рис. 1).
Рисунок 1 – РЭМ изображения образцов GaN/НК-GaN/Si(111) (слева, пунктиром обозначены
границы массива НК GaN) и GaN/SixNy/Si(111) (справа).
Было обнаружено, что эпитаксиальные слои GaN, выращенные на
подложках Si(111) с низкотемпературной нитридизацией обладают развитой
лабиринтоподобной морфологией поверхности, что может свидетельствовать о
формированиислояпосредствомкоалесценцииразориентированных
зародышевых островков GaN, сформированных на аморфном SixNy. В то же
время было показано, что для получения сплошных гладких слоев GaN нужно
использовать высокотемпературную нитридизацию кремния, которая может
обеспечить формирование кристаллического β-Si3N4 на подложке Si(111) [9].
Полученные образцы были исследованы с помощью рентгеновской
дифрактометрии(дифрактометрДРОН-8,излучениеCuKα1)(рис.2).
Сравнительный анализ кривых качания полученных образцов, а также значений
постоянной решетки cGaN, вычисленных по положениям пика GaN(0002),
показал, что использование в качестве переходного слоя массива наноколонн
GaN и тонкого слоя SixNy в равной степени влияет на напряженность слоев
GaN. Вклад в уширение пиков GaN(0002) могут вносить искажения
отражающих плоскостей, вызванные дислокациями, а также разориентация
блоков мозаичной структуры GaN.
GaN/HK GaN/Si(111)
GaN/BT SixNy/Si(111)
10000
Интенсивность, отн. ед.
Si(111)GaN/HT SixNy/Si(111)
1000
GaN(0002)
2829303132333435363738
2,°
Рисунок 2 – рентгенодифракционные кривые качания образцов GaN/Si(111).
Синтезированные эпитаксиальные структуры также были исследованы с
помощью фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии (рис. 3).
1 –
GaN/HK GaN/Si(111)
GaN/BT SixNy/Si(111)
Интенсивность, отн. ед.
GaN/HT SixNy/Si(111)
350360370380390
Длина волны, нм
Рисунок 3 – характерные спектры ФЛ для трех типов полученных структур.
Максимум интенсивности ФЛ на полученных спектрах наблюдался при
λ = 364.1 нм(3.4эВ).НаиболеевысокуюинтенсивностьФЛ
продемонстрировалиобразцыGaN/GaN HK/Si(111),выращенныес
использованием наноколонн GaN в качестве переходных слоев. Наименьшая
интенсивность была отмечена у образцов, выращенных на подложках Si с
низкотемпературной нитридизацией (НТ SixNy), что может говорить о более
высокой плотности структурных дефектов в таких слоях GaN.
С помощью холловских измерений было установлено, что, несмотря на
то, что рост GaN на Si осуществлялся без легирования, исследуемые слои GaN
обладают n-типом проводимости. При этом, величина концентрации носителей
заряда в слоях, синтезированных с использованием массива НК GaN в качестве
переходного слоя, составляет порядка n ~ 1019 см-3, с использованием тонкого
слоя нитрида кремния – порядка n ~ 1018-1019 см-3. Столь значительный уровень
концентрации носителей может быть связан с высокой плотностью дефектов, а
также с непреднамеренным легированием GaN за счет взаимной диффузии
атомов Ga и Si. Снижение значения концентрации носителей на порядок может
свидетельствовать о том, что слой SixNy может подавлять взаимную диффузию
Ga и Si.
Четвертаяглавапосвященаисследованиюзависимости
кристаллографической полярности GaN от условий роста эпитаксиальных
слоев GaN на нитридизованных подложках Si(111). Была разработана экспресс-
методика идентификации кристаллографической полярности эпитаксиальных
слоев GaN, позволяющая с помощью жидкостного травления в растворе
KOH:H2O(1:5)втечение5минутоднозначноопределить
кристаллографическую полярность образцов (рис. 4).
Рисунок 4 – РЭМ изображения поверхности N-полярного (слева) и Ga-полярного (справа)
слоя GaN после травления в растворе KOH:H2O (1:5).
С использованием разработанной экспресс-методики была изучена
зависимость кристаллографической полярности эпитаксиальных слоев GaN от
условий формирования методом МПЭ ПА на нитридизованных подложках
Si(111). Было обнаружено, что параметры нитридизации подложки Si(111) не
влияют на полярность эпитаксиального слоя GaN. Выявлено, что полярность
эпитаксиальныхслоевGaN,выращиваемыхнаподложкахSi(111)с
использованием переходного слоя SixNy, возможно задавать на этапе
формирования зародышевого слоя GaN посредством изменения ростовой
температуры. При высоких температурах упругие напряжения, вызванные
рассогласованием кристаллических решеток GaN и Si(111), приводят к
увеличению свободной энергии Гиббса. Это ведет к разложению GaN и
повышенному переиспарению атомов N. В то же время, величину потока
десорбирующихся атомов Ga в диапазоне температур (450–700) °C можно
считать пренебрежимо малой [10, 11]. Поэтому можно говорить о накоплении
атомов Ga на поверхности нитридизованной подложки Si(111) на этапе
образования зародышевого слоя GaN. Как было показано в настоящей
диссертационной работе, при обозначенных выше условиях роста происходит
формирование пленки GaN с галлиевой полярностью. В то же время, при
низкихтемпературахзародышеобразованияGaN (T=400°С)скорость
переиспарения атомов N с поверхности растущего слоя уменьшается.
Следовательно, накопления Ga на поверхности не происходит, и синтез GaN
идет в единичных или азот-обогащенных стехиометрических условиях роста. В
результате, как было показано в настоящей работе, формируется N-полярный
слой GaN.
В пятой главе впервые было рассмотрено фотохимическое травление
тонких слоев Ga-полярного GaN, выращенных на нитридизованных подложках
Si(111) с помощью МПЭ ПА. Показано, что фотохимическое травление таких
слоев GaN значительно отличается от травления стандартных слоев GaN,
выращиваемых с помощью газофазной эпитаксии [12, 13]. В результате
экспериментов с применением различных масок, в том числе металлических и
биметаллических, было установлено, что наилучшей устойчивостью к
фотохимическому травлению из всех рассмотренных материалов масок
обладают биметаллические маски Cr/Au. При этом, использование Au в составе
маски позволило увеличить среднюю скорость фотохимического травления
слоев GaN в 2-4 раза. Таким образом, было показано, что золото действительно
играет роль катализатора фотохимического травления слоев GaN в растворе
K2S2O8:KOH, наиболее часто используемом для фотохимического травления
GaN [14, 15]. Продемонстрирована возможность полного удаления тонких
эпитаксиальныхслоевGaNсповерхностикремнияспомощью
фотохимическоготравленияcформированиеманизотропногопрофиля
травления (рис. 5) без повреждения поверхности подложки, что говорит о
высокой селективности разработанного подхода.
Рисунок 5 – РЭМ изображения образца GaN/Si(111) после фотохимического травления в
растворе K2S2O8:KOH комнатной температуры с использованием биметаллической Cr/Au маски.
Также впервые была продемонстрирована возможность формирования
подвешенных структур вследствие отделения Ga-полярных слоев GaN от
подложекSi(111)спомощьюселективногожидкостноготравления
переходного слоя SixNy и подложки в растворе H3PO4:CH3COOH:HNO3:HF
(5:1:1:1). Показано, что механизм отделения тонкого слоя Ga-полярного GaN
может быть основан на проникновении раствора через дефекты-поры в
эпитаксиальном слое GaN к поверхности нитридизованной кремниевой
подложки и последующем ее локальном травлении (рис. 6). Установлено, что
травления Ga-полярного GaN в растворе H3PO4:CH3COOH:HNO3:HF (5:1:1:1) не
происходит.
Рисунок 6 – РЭМ изображение поверхности образца GaN/SixNy/Si(111) после травления в
растворе H3PO4:CH3COOH:HNO3:HF (5:1:1:1) при комнатной температуре в течение 60 с.
Крометого,впервыебылапродемонстрированавозможность
формирования подвешенных структур вследствие отделения Ga-полярных
слоев GaN от подложек Si(111) с помощью селективного жидкостного
травления в растворе KOH:H2O (1:5) массива наноколонн GaN, которые были
использованы для синтеза эпитаксиальных слоев GaN на подложках Si(111)
(рис. 7). Аналогичный результат так же наблюдался при травлении в щелочи
эпитаксиальных структур AlN/НК-AlN/Si(111) [16].
Рисунок 7 – РЭМ изображения сколов эпитаксиальных структур GaN/3D-
GaN/Si(111) после травления в 70 °C KOH:H2O (1:5) в течение 60 мин.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной
работы:
1. ПродемонстрированавозможностьполученияметодомМПЭПА
сплошных гладких слоев GaN на кремнии с использованием массива
наноколонн GaN и тонкого слоя высокотемпературного нитрида кремния
в качестве переходных слоев.
2. Обнаружено, что исследуемые нелегированные слои GaN обладают n-
типом проводимости, а величина концентрации носителей заряда в слоях,
синтезированных с использованием массива наноколонн GaN в качестве
переходного слоя, составляет порядка n ~ 1019 см-3, с использованием
тонкого слоя нитрида кремния – порядка n ~ 1018-1019 см-3.
3. Разработанаэкспресс-методикаопределениякристаллографической
полярности эпитаксиальных слоев GaN, позволяющая в течение 5 минут
однозначно определить кристаллографическую полярность образцов.
4. Показано, что параметры нитридизации подложки Si(111) не влияют на
полярность эпитаксиального слоя GaN. Впервые обнаружено, что
управление полярностью эпитаксиальных слоев GaN, выращиваемых на
подложках Si(111) с использованием переходного слоя SixNy, возможно
на этапе формирования зародышевых слоев с помощью изменения
температуры для обеспечения Ga- или N-обогащенных условий.
Показано, что при низкой температуре (400 °С) формируется N-полярный
слой GaN, температура зародышеобразования выше 450 °C позволяет
получить Ga-полярный слой GaN.
5. Впервые показано, что структуры с вертикальными стенками на основе
тонких Ga-полярных слоев GaN, полученных методом МПЭ ПА на
нитридизованныхподложкахSi(111),могутбытьсформированы
фотохимическим травлением с использованием маски Cr/Au, содержащей
на поверхности благородный металл-катализатор.
6. Впервые продемонстрирована возможность формирования подвешенных
структур вследствие отделения Ga-полярных слоев GaN от подложек
Si(111) с помощью селективного жидкостного травления переходного
слоя SixNy и подложки в растворе H3PO4:CH3COOH:HNO3:HF (5:1:1:1).
7. Впервые продемонстрирована возможность формирования подвешенных
структур вследствие отделения Ga-полярных слоев GaN от подложек
Si(111) с помощью селективного жидкостного травления в растворе
KOH:H2O (1:5) массива наноколонн GaN, которые были использованы
длясинтезаэпитаксиальныхслоевGaNна подложкахSi(111).
Аналогично могут быть сформированы подвешенные структуры AlN.
Хорошо известно, что на сегодняшний день кремний является основным материалом
микроэлектроники. По сути, именно с момента изобретения и запуска серийного производства
первых интегральных схем (ИС) начался «кремниевый век» в науке и технике [Малашевич,
2013]. Дальнейшее развитие кремниевой микроэлектроники привело к компьютерной
революции в конце 70-х годов, ознаменованной внедрением компьютеров в работу
предприятий и в нашу повседневную жизнь. Этот процесс стал этапом третьей научно-
технической революции.
Среди всех полупроводниковых материалов, которые рассматривали для изготовления
первых ИС, именно кремний на тот момент времени оказался самым перспективным из-за его
электрических, механических и термических свойств. На основе уникальной способности
кремния к окислению с образованием сплошного слоя SiO2 на поверхности, была разработана
планарная технология [Hoerni, 1961], принципы которой до сих пор широко используются для
создания различных полупроводниковых приборов и ряда ИС. Однако доминирующее
положение этого материала в современной микроэлектронике связано, прежде всего, с его
доступностью и технологичностью. Кремний является вторым по распространенности
химическим элементом в земной коре и добывается в виде кремнезема – кварцевого или
речного песка. Поскольку каждый шаг на пути «от песка до процессора» хорошо отработан,
кремний по сей день занимает лидирующую позицию среди материалов микроэлектроники.
Тем не менее, область применения кремниевых электронных компонентов сильно ограничена
как предельными значениями электрических характеристик, так и механической,
радиационной, температурной и химической стойкостью самого материала. Данные свойства
важны для приборов, функционирующих в жестких условиях, например, в агрессивных средах
или под влиянием экстремальных температур. Появление подобных устройств может
существенно ускорить переход к новому технологическому укладу – так называемой
революционной «Индустрии 4.0».
Концепция четвёртой научно-технической революции подразумевает массовое
внедрение киберфизических систем в жизнь современного человека и развитие «интернета
вещей» – пространства реальных или виртуальных объектов, оснащенных технологиями для
взаимодействия друг с другом и человеком. Для создания «умных» объектов особую
значимость имеют устройства для контроля их состояния – всевозможные миниатюрные
датчики на основе микро- и наноэлектромеханических, а также микрооптоэлектромеханических
систем (МЭМС, НЭМС и МОЭМС). Такие устройства могут позволить автоматизированным
системам точно определять и анализировать свои параметры, будь то положение в
пространстве, температура или уровень шума и вибраций, что сделает их по-настоящему
«умными». Поскольку применение подобных технологий предполагается не только в
нормальных условиях, но и, как было сказано выше, в жестких и агрессивных средах, поиск
новых материалов для приборов современной электроники и электроники будущего является
актуальной исследовательской задачей.
Одними из самых перспективных материалов электроники, с точки зрения задач,
описанных выше, на сегодняшний день считаются широкозонные полупроводники: алмаз,
оксид галлия (Ga2O3), карбид кремния (SiC) и нитриды металлов третьей группы (III-N).
Данные материалы благодаря своим фундаментальным свойствам потенциально могут
обеспечить достойную конкуренцию кремниевым приборам в различных областях применения
[Takahashi, 2007].
Среди перечисленных широкозонных материалов нитридам уделяют особое внимание.
Их уже успешно применяют в оптоэлектронике – они стали основой современного
энергоэффективного освещения [Mi, 2017]. Благодаря ряду уникальных свойств, III-N
полупроводники рассматривают как одни из наиболее перспективных материалов для
обновления приборной базы современной оптоэлектроники, силовой и СВЧ электроники, а
также создания на их основе МЭМС, НЭМС и МОЭМС [Morkoç, 2008]. В частности, одними из
главных достоинств нитридов являются их чрезвычайно высокая температурная и химическая
стойкость, а также высокая теплопроводность. Поэтому приборы на основе III-N
полупроводников могут работать в условиях высоких температур и агрессивных сред.
Несмотря на очевидные преимущества III-N материалов перед кремнием, до сих пор
существуют проблемы, препятствующие стремительному развитию электроники на основе
нитридов и ее внедрению в повседневную жизнь человека. К их числу, в первую очередь, стоит
отнести отсутствие отработанной технологии производства «естественных» III-N подложек
высокого качества в промышленных масштабах, и, как следствие, их высокую стоимость.
Поэтому гетероэпитаксия нитридов на доступных кремниевых подложках для создания
приборных структур представляет повышенный интерес. В то же время основной проблемой
гетероэпитаксии III-N материалов является высокая плотность дефектов – прорастающих
дислокаций, возникающих из-за рассогласования кристаллических решеток слоя и подложки. В
связи с этим, разработка новых подходов к гетероэпитаксии нитридов на кремнии является
актуальной задачей.
Важной особенностью III-N материалов является наличие макроскопической
поляризации (как спонтанной, так и пьезоэлектрической), оказывающей влияние на многие
свойства материала и приборов на его основе. Величина и направление поляризации
определяется кристаллографической полярностью материала, поэтому возможность управлять
полярностью чрезвычайно важна при разработке конструкций компонентов современной
электроники на основе нитридов. Несмотря на то, что исследования особенностей синтеза слоев
нитридов с заданной полярностью на сапфировых подложках ведутся довольно давно
[Stutzmann, 2001], детальных исследований по управлению полярностью эпитаксиальных слоев
GaN, выращиваемых на подложках Si(111), до сих пор не проводилось.
Помимо проблем, связанных с гетероэпитаксиальным ростом III-N материалов,
существует множество задач, относящихся к постростовому процессированию, в том числе, к
воспроизводимому микропрофилированию эпитаксиальных гетероструктур. Ввиду
чрезвычайно высокой химической стойкости долгое время травление III-N полупроводников
было осуществимо только с помощью методов сухого травления. Однако такой подход требует
сложного дорогостоящего оборудования. Кроме того, в результате ионной бомбардировки
повреждается структура материала, и формируются ион-индуцированные дефекты [Cho, 2008;
Lee, 2012; Liu, 2017, Shiojima, 2019]. Еще одной проблемой применения сухого травления
является низкая селективность к составу материала или типу и уровню его легирования [Lee,
2016]. С другой стороны, основной проблемой жидкостного травления нитридов является его
низкая скорость, в то время, как очевидными достоинствами являются высокая селективность и
доступность. Поэтому развитие новых подходов к жидкостному травлению III-N материалов
является важной задачей.
Таким образом, несмотря на колоссальный успех применения нитридов в
оптоэлектронике, который, что немаловажно, был отмечен нобелевской премией по физике в
2014 году [nobelprize.org], существует множество нерешенных проблем, препятствующих
дальнейшему стремительному развитию электроники на основе III-N материалов. И в первую
очередь эти проблемы относятся к приборам силовой и СВЧ электроники, а также МЭМС,
поскольку для их успешного внедрения в различные отрасли необходимо не только разработать
технологию создания, но и сделать их коммерчески доступными для широкого круга
потребителей. Одними из основных факторов, определяющих стоимость прибора, являются
стоимость производства материалов и стоимость их обработки. Поэтому по-прежнему
актуальным является гетероэпитаксиальный синтез качественных слоев III-N, в частности, GaN,
на различных подложках, а также разработка подходов к постростовому
микропрофилированию, где главным препятствием остается высокая химическая стойкость
материала. Обозначенные проблемы определяют важность и актуальность данной
диссертационной работы.
Цель данной работы – исследование физико-химических принципов формирования и
свойств структур на основе эпитаксиальных слоев GaN, синтезированных на подложках Si(111).
Основные задачи:
1) синтезировать эпитаксиальные структуры GaN/Si(111) с использованием различных
подходов;
2) исследовать свойства полученных эпитаксиальных структур GaN/Si(111);
3) определить кристаллографическую полярность слоев GaN, найти зависимость
кристаллографической полярности эпитаксиальных слоев GaN от условий их формирования;
4) исследовать возможность создания различных структур на основе эпитаксиальных слоев
GaN, сформированных на Si(111), а именно подходы к их жидкостному травлению.
Для решения поставленных задач в ходе выполнения диссертационного исследования
применялись следующие методы:
синтез эпитаксиальных слоев GaN осуществлялся методом молекулярно-пучковой эпитаксии
с плазменной активацией азота (МПЭ ПА);
исследование особенностей морфологии полученных эпитаксиальных структур, а также ее
изменений в процессе травления проводилось с помощью оптической микроскопии,
растровой электронной микроскопии, а также контактной профилометрии;
структурное качество образцов контролировалось с помощью рентгеновской
дифрактометрии;
исследование оптических свойств полученных структур осуществлялось с помощью
фотолюминесцентной спектроскопии (ФЛ);
электрофизические характеристики синтезированных эпитаксиальных слоев GaN были
определены с помощью холловских измерений по модифицированному четырехзондовому
методу Ван-дер-Пау;
осаждение металлизации, служившей масочным покрытием для микропрофилирования
полученных структур, осуществлялось методами электронно-лучевого и термического
вакуумного напыления;
определение кристаллографической полярности GaN, а также микропрофилирование и
отделение эпитаксиальных слоев GaN от подложек осуществлялось с помощью жидкостного
травления.
В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. Продемонстрирована возможность получения методом МПЭ ПА сплошных гладких
слоев GaN на кремнии с использованием массива наноколонн GaN и тонкого слоя
высокотемпературного нитрида кремния в качестве переходных слоев.
2. Обнаружено, что исследуемые нелегированные слои GaN обладают n-типом
проводимости, а величина концентрации носителей заряда в слоях, синтезированных с
использованием массива НК GaN в качестве переходного слоя, составляет порядка
n ~ 1019 см-3, с использованием тонкого слоя нитрида кремния – порядка
n ~ 1018-1019 см-3.
3. Разработана экспресс-методика определения кристаллографической полярности
эпитаксиальных слоев GaN, позволяющая в течение 5 минут однозначно определить
кристаллографическую полярность образцов.
4. Показано, что параметры нитридизации подложки Si(111) не влияют на полярность
эпитаксиального слоя GaN. Впервые обнаружено, что управление полярностью
эпитаксиальных слоев GaN, выращиваемых на подложках Si(111) с использованием
переходного слоя SixNy, возможно на этапе формирования зародышевых слоев с
помощью изменения температуры для обеспечения Ga- или N-обогащенных условий.
Показано, что при низкой температуре (400 °С) формируется N-полярный слой GaN,
температура зародышеобразования выше 450 °C позволяет получить Ga-полярный слой
GaN.
5. Впервые показано, что структуры с вертикальными стенками на основе тонких Ga-
полярных слоев GaN, полученных методом МПЭ ПА на нитридизованных подложках
Si(111), могут быть сформированы фотохимическим травлением с использованием
маски Cr/Au, содержащей на поверхности благородный металл-катализатор.
6. Впервые продемонстрирована возможность формирования подвешенных структур
вследствие отделения Ga-полярных слоев GaN от подложек Si(111) с помощью
селективного жидкостного травления переходного слоя SixNy и подложки в растворе
H3PO4:CH3COOH:HNO3:HF (5:1:1:1).
7. Впервые продемонстрирована возможность формирования подвешенных структур
вследствие отделения Ga-полярных слоев GaN от подложек Si(111) с помощью
селективного жидкостного травления в растворе KOH:H2O (1:5) массива наноколонн
GaN, которые были использованы для синтеза эпитаксиальных слоев GaN на подложках
Si(111). Аналогично могут быть сформированы подвешенные структуры AlN.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ИС Интегральная схема
МОП-структура Структура металл-окисел-полупроводник
СВЧ электроника Сверхвысокочастотная электроника
МЭМС Микроэлектромеханические системы
НЭМС Наноэлектромеханические системы
МОЭМС Микрооптоэлектромеханические системы
AlN Нитрид алюминия
AlGaN Нитрид алюминия галлия
2DEG Двумерный электронный газ
КТР Коэффициент теплового расширения
РИТ Реактивное ионное травление
СИД Светоизлучающий диод
МДП Металл-диэлектрик-полупроводник
КТР Коэффициент температурного расширения
МОГФЭ Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений
УФ ультрафиолет
HEMT Транзистор с высокой подвижностью электронов
РЭМ Растровая электронная микроскопия
МПЭ ПА Молекулярно-пучковая эпитаксия с плазменной активацией азота
ДБЭО Дифракция быстрых электронов на отражение
НК Наноколонны
ТСФ Тосиламидформальдегидная смола
СВВ Сверхвысокий вакуум
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
A1. Шубина, К. Ю. Влияние параметров нитридизации и начальных ростовых условий на
полярность эпитаксиальных слоев GaN, выращенных молекулярно-пучковой эпитаксией с
плазменной активацией азота на подложках Si(111) / К.Ю. Шубина, Т.Н. Березовская, Д.В.
Мохов, А.М. Мизеров, Е.В. Никитина // Письма в ЖТФ. – 2017. – Т. 43. – Вып. 21. – С. 47-54.
А2. Shubina, K. Yu. Separation of Ga-polar GaN layer from Si substrate by wet chemical etching / K.
Yu. Shubina, T. N. Berezovskaya, D. V. Mokhov, A. M. Mizerov and E. V. Nikitina // J. Phys.: Conf.
Ser. – 2017. – V. 917. – P. 032002
А3. Shubina, K. Yu. The effects of GaN nanocolumn arrays and thin SixNy buffer layers on the
morphology of GaN layers grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on Si(111) substrates /
K. Yu. Shubina, E. V. Pirogov, A. M. Mizerov, E. V. Nikitina and A. D. Bouravleuv // J. Phys.: Conf.
Ser. – 2018. – V. 993. – P. 012008
A4. Shubina, K. Yu. Processing of GaN/Si(111) epitaxial structures for MEMS applications / K.Yu.
Shubina, I.A. Morozov, K.P. Kotlyar, D.V. Mokhov, T.N. Berezovskaya, A.M. Mizerov, E.V.
Nikitina and A.D. Bouravleuv // Semiconductors – 2018. – V. 52. – No. 16. – pp. 2117–19
A5. Мизеров, А.М. Особенности начальных стадий роста GaN на подложках Si(111) при
молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота / А.М. Мизеров, С.Н.
Тимошнев, М.C. Соболев, Е.В. Никитина, К.Ю. Шубина, Т.Н. Березовская, И.В. Штром, А.Д.
Буравлев // Физика и техника полупроводников. – 2018. – Т. 52. – Вып. 12. – С. 1425-29.
А6. Shubina, K. Yu. Metal-assisted photoenhanced wet chemical etching of GaN epitaxial layers / K.
Yu. Shubina, T. N. Berezovskaya, D. V. Mokhov, A. M. Mizerov, E. V. Nikitina and A. D.
Bouravleuv // J. Phys.: Conf. Series. – 2018. – V. 1124. – P. 081001.
A7. Мохов, Д. В. Металл-усиленное фотохимическое травление N- и Ga-полярных
эпитаксиальных слоев GaN / Д.В. Мохов, Т.Н. Березовская, Е.В. Никитина, К.Ю. Шубина,
А.М. Мизеров, А.Д. Буравлев // Физика и техника полупроводников. – 2019. – Т. 53. – Вып. 12.
– С. 1726-32.
A8. Shubina, K. Yu. A study of the GaN/Si(111) epitaxial structures grown by PA MBE via
coalescence overgrowth of GaN nanocolumns / K. Yu. Shubina, D. V. Mokhov, T. N. Berezovskaya,
E. V. Nikitina and A. M. Mizerov // J. Phys.: Conf. Series. – 2021. – V. 1851. – P. 012004.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (285 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
5 (1241 отзыв)
4.1 (20 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
5 (8 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
