автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Модификация эпитаксиальных слоев нитрида галлия в области дефектов роста методом периодического ионно-лучевого осаждения-распыления

004610634

На правах рукописи

БЕСПАЛОВ Алексей Викторович

МОДИФИКАЦИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ НИТРИДА ГАЛЛИЯ В ОБЛАСТИ ДЕФЕКТОВ РОСТА МЕТОДОМ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ-РАСПЫЛЕНИЯ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОПТ ?0Ю

Москва 2010

004610634

Работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Евдокимов Анатолий Аркадьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Иванов Сергей Викторович

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Кузнецов Геннадий Дмитриевич Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Защита состоится «<¿6» 2010 г. в 14 часов на заседании дис-

сертационного совета Д212.131.02 при ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» по адресу: 119454 г. Москва, проспект Вернадского, дом 78.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

Автореферат разослан «/■?» сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /V Вальднер В.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В настоящее время нитрид галлия (ваМ) и другие родственные соединения типа АШМ (Ап- галлий, индий или алюминий) представляют собой группу полупроводниковых материалов, которые по промышленной значимости среди материалов электронной техники, уступают только кремнию и арсениду галлия.

Основным стимулом для постановки научных исследований, посвященных проблеме А11^ материалов, является существенное отставание необходимого уровня понимания процессов, протекающих при получении эпнтаксиальных структур ОаТЧ, от их применения для приборов различного функционального назначения, включая приборы опто-, СВЧ- электроники, а также при использовании твёрдых растворов на основе Л("М с магнитными катионами в качестве подложек при синтезе спинтронных структур.

В процессе применения пленок СаЫ в приборных структурах возникает ряд проблем, например, при создании оптически прозрачного высокостабильного омического контакта к плёнкам р-типа из-за высокой работы выхода у нитрида галлия и большой концентрации ростовых дефектов в эпнтаксиальных слоях. Для решения проблемы влияния дефектности структуры эпи-таксиальных плёнок GaN на характеристики приборов необходим поиск методов постростовой обработки пленок, направленный на уменьшение степени этого влияния. Ранее использовались процессы осаждения-распыления металл-оксидных слоев химически активными ионами. В результате было установлено, что облучение ионами кислорода с энергией до 400 эВ в процессе постростовой обработки не ухудшает исходной структуры СаК и позволяет заращивать мелкие ростовые дефекты. Однако указанный подход не позволял полностью избавиться от утечек тока в вертикальных приборных структурах в связи с тем, что отсутствовал детальный анализ поверхностных и объемных дефектов в эпитаксиальных структурах СаМ.

Достигнутый уровень современных экспериментальных исследований

позволяет на основе комплексного применения сканирующей электронной и ионной микроскопии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии и ионно-лучевого распыления поставить задачу проведения детального анализа распределения дефектов в эпитаксиальных слоях GaN по толщине, классифицировать дефекты по размерам, определить области их повышенной концентрации и особенности формирования в отдельных зонах роста, а также предложить методы нейтрализации ростовых дефектов при постростовой обработке как в активных областях приборов (например, областях /-типа), так и в слое р-типа проводимости, к которому формируется омический контакт.

Указанные проблемы определяют актуальность настоящей диссертационной работы и являются предметом ее исследования.

Цель работы

Исследование морфологии эпитаксиальных плёнок GaN в области дефектов роста и разработка метода целенаправленного модифицирования поверхности эпитаксиальных пленок нитрида галлия, содержащих различные типы ростовых дефектов, периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением для их заращивания.

Задачи исследования

Исследовать особенности распределения ростовых дефектов в эпитаксиальных плёнках GaN.

Исследовать процесс заращивания дефектных областей эпитаксиальных плёнок GaN ионно-лучевым осаждением-распылением.

Разработать и реализовать метод модифицирования дефектных эпитаксиальных пленок нитрида галлия периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением с использованием металл-оксидных слоев.

Использованная аппаратура и методы исследования

Исследования эпитаксиальных плёнок проводились методами оптической, растровой электронной (SEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM) в сочетании с фотолюминесценцией. Электропроводность слоев контролировалась двух- и четырёх-зондовым методами.

Реализация процессов обработки пленок GaN в режиме «осаждения-распыления» проводилась на установке, оснащенной широкоапертурными источниками ионов с холодным полым катодом на основе двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления.

Для исследования структуры дефектов и механизмов их заращивания при постростовой обработке дополнительно использовался метод получения вертикальных сечений эпитаксиальной плёнки GaN в области дефекта сфокусированным ионным пучком (FIB: focused ion beam) с последующим анализом с помощью растровой электронной микроскопии высокого разрешения. Методика реализована на двухлучевом комплексе DualBeam (FIB/SEM) systems, Helios NanoLab (FEI Company).

Использованные современные средства и методики обеспечивают высокую достоверность полученных результатов и создают предпосылки к объяснению совокупности экспериментальных данных и формированию обоснованных выводов.

Научная новизна работы

Впервые разработан комплексный метод качественного и количественного анализа дефектов роста в эпитаксиальных слоях GaN, включающий контроль их распределения по поверхности и объему и сочетающий ионно-лучевое распыление материала кислородом, наноразмерное локальное препарирование плёнки сфокусированным ионным пучком и растровую электронную микроскопию высокого разрешения.

Определены основные механизмы протекания процесса комбинированного ионно-лучевого «бездефектного» осаждения-распыления металл-оксидных слоёв в среде кислорода и показано, что выравнивание микрорельефа поверхности пленки GaN заращивающим слоем достигается за счёт практически двукратного превышения скорости осаждения металл-оксидов во впадинах по сравнению с нарастанием слоя на плоских участках.

Предложен и реализован метод заращивания ростовых дефектов в пленках GaN, распространяющихся до границы раздела «плёнка-

подложка», многократным периодическим осаждением-распылением толстого, сравнимого с толщиной эпитаксиальной пленки, слоя оксида алюминия (А10х) с последующим осаждением-распылением слоя оксида бериллия (ВеО) толщиной менее 5 нм.

Положения, выносимые на защиту

Сочетание низкоэнергетичного ионно-лучевого распыления эпитакси-альных слоев ОаМ кислородом, их локального препарирования сфокусированным ионным пучком и электронной микроскопии высокого разрешения обеспечивает выявление, локализацию и позволяет осуществлять классификацию комплекса типовых, для различных методик роста ОаК дефектов по глубине и поверхности слоя.

Реализация процесса последовательного многократного ионно-лучевого осаждения-распыления слоёв А10х на поверхности эпитаксиальных пленок СаК, сравнимой с ними толщины, обеспечивает заращивание поверхностных мелких и объёмных глубоких дефектов роста, выходящих на поверхность эпитаксиальной пленки ваМ.

Механизм преимущественного заполнения наносимым диэлектриком микрорельефа поверхности эпитаксиальной пленки ваМ при заращивании поверхностных мелких и объёмных глубоких дефектов роста состоит в повышении скорости его осаждения в области дефекта по сравнению с планар-ной поверхностью плёнки, что обусловлено комбинацией трёх факторов:

геометрией потока распыляемого материала (определяемой угловой зависимостью коэффициента распыления);

массопереносом осаждаемого материала в зоне ростового дефекта (стимулированного энергетической неоднородностью зоны дефекта);

продольным массопереносом материала по поверхности эпитаксиаль-ного слоя (стимулированного воздействием ионного пучка на материал).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

Разработан и реализован метод модифицирования дефектных эпитак-

спальных пленок нитрида галлия периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением с использованием металл-оксидных слоев, являющийся базой для ряда технологических операций в процессе изготовления приборов на основе ваЫ, включая:

- изготовление контактных систем ВеО/Аи/ВеО к р-ОаМ для опто-электронных приборов, работающих вплоть до ультрафиолетовой области спектра (Заявка па выдачу патента на изобретение РФ № 2009101266, приоритет от 16.01.2009).

- формирование планарной поверхности постростовой обработкой эпи-таксиальных плёнок СаК являющихся подложками большой площади для структур спинтроники на основе наноразмерных слоевых композиций Со/ТЮ2.

Результаты работы использованы в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» при выполнении НИР, направленной на разработку и исследование оптоэлектронных структур на основе нитрида галлия для высокоэффективных источников излучения.

Результаты внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) начиная с 2008/2009 учебного года в качестве дополнения к курсу лекций по дисциплинам «Технология материалов и изделий электронной техники», «Физика и технология квантово-размерных структур и приборов на их основе» и при проведении практических занятий со студентами 5 курса. Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 6-я и 7-я Всероссийских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (С-Пб., 2008 и 2009 гг.)

XIII и XIV Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлек-троника» (Нижний Новгород, 2009 и 2010 гг.),

на конференции X Юбилейного Международного форума и выставке «Высокие технологии XXI века (М„ 2009 г.),

XXIII Российской конференции по электронной микроскопии (Чер-

ноголовка, 2010 г.). Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано: 3 статьи в журналах, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 10 тезисов докладов на конференциях и симпозиумах.

Все экспериментальные результаты, включая вошедшие в совместные с соавторами публикации, получены при непосредственном участии автора настоящей диссертационной работы.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы, включающего 120 наименований. Работа изложена на 123 страницах, содержит 32 рисунка и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации дано краткое описание современного состояния работ по получению эпитаксиальных пленок GaN и соединений на их основе с ориентацией на проблемы совершенствования структуры материала с целью достижения минимальной степени его дефектности. Наибольшее внимание уделено трем проблемам в технологии данного материала и приборов на его основе, которым в основном посвящена диссертационная работа: созданию условий для получения низкоомного высокостабильного оптически прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою ОаК р-типа; подавление процесса сквозного прорастания дефектов и канапирования низкоэнергетичных частиц вдоль этих дефектов в активную область прибора в процессе постростовой обработки пленки, получению плёнок БаЫ с нано-размерной степенью шероховатости поверхности для их применения в каче-

стве подложек при формировании структур спинтроники.

Известно, что для температур плавления GaN (~2800°С) характерны высокие равновесные давления азота, что препятствует выращиванию совершенных кристаллов GaN из расплава. Обычная плотность дислокаций в кристаллах нитридов металлов Ша группы достигает 107-Ч010 см"2. Вследствие этого базовые структуры для создания приборов на основе GaN получают при помощи гетероэпитакснального осаждения из газовой фазы или молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках таких материалов, как: сапфир, карбид кремния или буферные слои нитрида алюминия (AIN), а в последнее время и на кремнии. Наиболее совершенные плёнки GaN имеют плотность ростовых дефектов 105 см-2. На основании обобщения результатов проведенного анализа сделан вывод о необходимости постановки исследований, посвященных проблеме нейтрализации ростовых дефектов в эпитаксиальных пленках GaN постростовой обработкой.

В связи с этим, определена необходимость разработки новых методов и подходов к постростовому совершенствованию структуры поверхности эпитаксиальных плёнок GaN и дано обоснование одной из базовых технологий, направленной на решение данной задачи - методу периодического последовательного ионно-лучевого осаждения-распыления.

Во второй главе диссертации проанализированы современные методы получения достоверной информации о состоянии структуры пленок GaN по поверхности и по толщине. Показано, что сочетание ионно-лучевого распыления с методами FIB, SEM, AFM, а также фотолюминесценции и контроля электрофизических параметров двух- и четырёх-зондовыми методами позволяет получить информацию о типе дефектов роста, их размерах, местах локализации как по толщине, так и по поверхности пленки. Для обеспечения анализа использовалось математическое моделирование процессов воздействия пучков ионов широкого диапазона энергий с пленкой GaN, выполненное на основе пакета программ SR1M 2008 (www.srim.org). Проведены расчеты профилей концентрации вне-

дренных частиц, а также распределение создаваемых дефектов по глубине.

Для обеспечения требуемого качества высокоразрешающего микроскопического анализа дефектов разработана методика, позволяющая устранять известный эффект образования капель галлия на поверхности GaN при воздействии на ваЫ сфокусированного наноразмерного ионного пучка с высокой плотностью ионного тока. В основе данной методики лежит предварительное осаждение на исследуемую ваЫ поверхность, непосредственно в камере установки Р1В, слоя платины толщиной до 0,5 мкм с последующим препарированием эпитаксиальной пленки для создания её локального поперечного сечения при пониженных значениях тока ионного пучка и его энергии. Данная методика позволила получать изображения сечений дефектов в эпитаксиальной плёнке ОаЫ с наноразмерным разрешением, провести их анализ и классификацию.

В третьей главе диссертации с использованием разработанных методик анализа дефектов роста, основанных на сочетании низкоэнергетичного ионно-лучевого распыления эпитаксиальных слоев GaN кислородом, их локальном препарировании сфокусированным ионным пучком и электронной микроскопии высокого разрешения для эпитаксиальных композиций на основе йаЫ (рис.1, табл.1) проведена классификация ростовых дефектов, оценка их геометрических размеров, глубины расположения и концентрации. |||||||

Рис. 1. Сечение эпитаксиальной структуры ваЫ с характерными типами дефектов.

Таблица1

Классификация ростовых дефектов

Тип дефекта Характеристика дефекта Плотность дефектов Электронно-микроскопическое изображение

1 Мелкие дефекты (не более 10 нм) в приповерхностных зпитаксиальных слоях ^>-GaN 108-109 см'2 . ■ - -г р.

11 Протяжённые дефекты (до 200 нм) на всю глубину эпитаксиального слоя /?-СаЫ 10-108 см"2 шщ ...

111 Сквозные дефекты, распространяющиеся на всю глубину многослойной эпитакси-альной структуры СаЫ (3,5 мкм) 106-10'см"2

С учетом особенностей проявления ранее указанных видов дефектов в реальных приборных структурах на GaN предложен и исследован метод их заращивания методом многократного осаждения-распыления толстого слоя оксида алюминия. Установлено, что оксид алюминия в процессе периодического осаждения-распыления преимущественно заполняет дефекты субмикронных и микронных размеров, ликвидируя каналы возможных утечек и пробоев в приборных структурах, при этом, как показали исследования морфологии поверхности, выполненные с помощью АРМ, по-

верхность становится менее развитой и ее шероховатость уменьшается практически на порядок (рис. 2), что наглядно видно по изменению масштабов на профилограммах.

О 800 1.66*003 2.4е»003 3.2е*003 им 4088 нм

0 700 1,4е»003 2.8й+003 им

3706 нм

О 700 1.4е*003 2 8е*003 ны

3932 нм

0 800 1 6е*003 2 40*003 3.28*003 нм 4122 нм

а б

Рис. 2 Шероховатость поверхности вдоль направлений 1 и 2: а) исходного

образца, б) после обработки по предложенной методике

Таким образом, реализация процесса последовательного многократного ионно-лучевого осаждения-распыления слоев АЮК на поверхности эпитаксиальных пленок СаК, сравнимой с ними толщины, обеспечивает заращивание мелких и глубоких дефектов роста, выходящих на поверхность зпитаксиальной пленки СаМ.

Рисунок 3 иллюстрируют эффект заполнения диэлектриком глубокого сквозного дефекта в многослойной зпитаксиальной структуре СаИ. Установлено также, что наблюдается дополнительное латеральное перераспределение материала в окрестности дефектов роста при ионно-лучевой обработке Са1\1 и сделано предположение, что заращивание идёт не только за счёт заполнения микрорельефа поверхности оксидом алюминия, но и путем «стока» во впадины собственно ваМ.

Рис. 3. Общий вид поперечного сечения глубокого ростового дефекта плёнки GaN с нанесённым слоем А10х.

На основании экспериментальных исследований сделано предположение о возможном механизме заращивания дефектов в ваЫ при реализации метода многократного осаждения-распыления и показано, что при за-ращивании мелких и глубоких дефектов роста повышение скорости осаждения материала в области дефекта по сравнению с планарной поверхностью плёнки, обусловлено комбинацией трёх факторов:

- геометрией потока распыляемого материала, определяемой угловой зависимостью коэффициента распыления;

- массопереносом осаждаемого материала в зоне ростового дефекта, стимулированного энергетической неоднородностью зоны дефекта;

- продольным массопереносом материала по поверхности эпитаксиаль-ного слоя, стимулированного воздействием ионного пучка на материал.

Указанные факторы сложным образом связаны между собой, а интегральное действие позволяет объяснить процесс преимущественного заполнения дефектов более чем вдвое быстрым осаждением материала во | впадинах по сравнению с плоскими участками.

В четвертой главе диссертации рассмотрены вопросы практического использования разработанного метода модификации поверхности плёнки СаЫ для заращивания дефектов ростового происхождения с помощью периодического ионно-лучевого осаждения-распыления.

Предложен способ минимизации влияния ростовых дефектов на поверхности зпитаксиальной пленки ^>-GaN при формировании к ней низкоомно-го оптически прозрачного омического контакта повышенной термической стабильности. Результат достигается тем, что после ионно-гшазменной очистки поверхности эпитаксиального слоя р-ваМ структура нагревается до температуры 350-К370°С и на неё многократно наносится и удаляется слой оксида алюминия толщиной не менее 30 % от толщины эпитаксиального слоя.

Рисунок 4 иллюстрирует данный процесс. После заращивания дефектов поверхности на ней формируется омический контакт к p-GaN в виде композиции BeO/Au/BeO/p-GaN

Рис. 4. Постростовое заращивание дефектов в эпитаксиальных слоях ОаТ\1:

а) исходное состояние, б) осаждение А10х, в) распыление А10х, г) нанесение подслоя ВеО для омического контакта. Стадии бив повторяются многократно. Омический контакт состоит из подслоя ВеО />типа проводимости толщиной от 2,8 до 3,2 нм, слоя золота толщиной от 3,8 до 4,2 нм и второго верхнего слоя ВеО толщиной от 3,0 до 4,0 нм. Верхний слой ВеО защищает полученную контактную структуру от воздействия атмосферы при термообработке и компенсирует избыточные деформации, возникающие на нижележащих интерфейсных границах. Слои ВеО наносятся методом ионно-лучевого осаждения-распыления Ве мишени ионами кислорода. Невысокая скорость распыления порядка 1 нм/с позволяет контролировать толщину осаждённых слоев по

времени нанесения с нанометровой точностью. Полученные в работе результаты использованы при создании омических контактов к слоям Оа1^ р-типа проводимости, полученных за счет легирования магнием до уровня концентрации 10|8см 3. Таким образом, реализована оригинальная технология формирования контактных слоев к нитриду галлияр-типа проводимости.

Рис. 5. Поперечное сечение многослойной наноразмерной структу-ры[Со(4 нм)/ТЮ2 (4 нм)])2 для спинтроники, сформированной на эпитак-сиальном слое-подложке /?-Са1Ч после модификации ростовых дефектов

поверхности

Разработанный метод заращивания дефектов металл-оксидами был также использован для получения на «сглаженной» поверхности СаЫ на-норазмерных спинтронных структур Со/ТЮх. Формирование сплошных многослойных плёночных структур Со/ТЮ2 большой площади с суммарной толщиной до 100 нм и четкими плоскопараллельными границами (рис. 5) было достигнуто за счет планаризации поверхности подложки в виде пленки GaN до субнаноразмерного уровня шероховатости методом многократного ионно-лучевого распыления-осаждения слоя А10х.

Основные результаты и выводы.

Разработан комплексный метод качественного и количественного анализа ростовых дефектов в эпитаксиальных слоях ОаN. включающий оценку

их размеров, а также распределение по поверхности и объему слоя, основанный на сочетании ионно-лучевого распыления материала кислородом, нано-размерного локального препарирования плёнки сфокусированным ионным пучком и растровой электронной микроскопии высокого разрешения.

Предложен и исследован метод заращивания ростовых дефектов в пленках взЫ, распространяющихся до границы раздела «плёнка-подложка», многократным периодическим осаждением-распылением толстого, сравнимого с толщиной эпитаксиальной пленки, слоя оксида алюминия (А10х).

Предложен механизм преимущественного заполнения диэлектриком микрорельефа поверхности эпитаксиальной пленки СаЫ при заращивании поверхностных мелких и объёмных глубоких дефектов роста, основанный на повышении скорости осаждения материала в области дефекта по сравнению с планарной поверхностью плёнки, что обусловлено комбинацией трёх факторов: геометрией потока распыляемого материала, определяемого угловой зависимостью коэффициента распыления; массопереносом осаждаемого материала в зоне ростового дефекта, стимулированным энергетической неоднородностью зоны дефекта; продольным массопереносом материала по поверхности эпитаксиального слоя, стимулированным воздействием ионного пучка на материал.

На основе разработанного метода заращивания дефектов роста в эпитак-сиальных пленках йаМ последовательным многократным осаждением-распылением предложен и реализован способ изготовления оптически прозрачного омического контакта ВеО/Аи/ВеО к слою р-Оа^г для оптоэлектронных приборов, работающих вплоть до ультрафиолетовой области спектра (Заявка на выдачу патента на изобретение РФ № 2009101266, приоритет от 16.01.2009).

На основе разработанного метода постростовой обработки эпитаксиаль-ных плёнок СаК' предложен и технически реализован процесс планаризации поверхности эпитаксиальных слоев - подложек СаЫ большой площади для структур спинтроники на базе наноразмерных слоевых композиций Со/ТЮ2.

ПУБЛИКАЦИИ

Патент

1. A.B. Беспалов, А.И. Стогний, A.A. Евдокимов, В.А. Кецко. Способ изготовления прозрачной омической контактной структуры

ВеО/Аu/BeO/'/;-GaN // Заявка на выдачу патента РФ на изобретение № 2009101266, приоритет от 16.01.2009.

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

2. А.И. Стогний, М.В. Пашкевич, H.H. Новицкий, A.B. Беспалов,

В.А. Кецко, F. Fettar, Н. Garad. Послойное формирование наноструктур с объёмоподобными свойствами парциальных слоёв на примере Со/ТЮ2. // Неорганические материалы, 2010, т.46, №7, с. 1-7.

3. A.B. Беспалов, О.Л. Голикова, A.A. Евдокимов. Подложки для структур спинтроники на основе эпитаксиальных плёнок нитридных полупроводников. // Химическая технология, 2010, № 7 с.404-406.

4. А.И. Стогний, М.В. Пашкевич, H.H. Новицкий, A.B. Беспалов. Ионно-лучевая инженерия многослойной наноструктуры Co/Ti02. // Письма в «Журнал технической физики», 2010, т.36, вып.9, с.73-81. Публикации в других изданиях

5. A.B. Беспалов, A.A. Евдокимов, H.H. Новицкий, В.И. Свитов, А.И. Стогний. Технология изготовления контактов из благородных металлов кp-GaN слоям. //Драгоценные металлы и камни, 2008, №4(172), с. 167-171.

6. A.B. Беспалов, А.И. Стогний, H.H. Новицкий, A.C. Шуленков. Заращи-вание поверхностных дефектов в плёнках GaN методом многоразового ионно-лучевого осаждения-переосаждения наноразмерного оксидного слоя. //Тез. докл. 6 Всероссийской конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». С-Пб., 2008, с.55-56.

7. А.И. Стогний, H.H. Новицкий, Е.В. Луценко, A.C. Шуленков,

A.B. Беспалов, A.A. Евдокимов. Ионно-лучевое формирование прозрачного омического контакта Au/BeO на p-GaN. // Тез. докл. 6 Всероссийской конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». С-Пб., 2008, с.121-122..

8. A.B. Беспалов, А.И. Стогний, H.H. Новицкий, A.C. Шуленков. Заращи-вание поверхностных дефектов в плёнках GaN методом многоразового ионно-лучевого осаждения-переосаждения наноразмерного оксидного слоя. // Труды XIII Междунар. симп. «Нанофизика и наноэлектроника». Нижний Новгород, 2009, с.437.

9. A.B. Беспалов, Е.Ю. Усачев, A.C. Сигов. Комплексный подход к решению задач анализа отказов изделий микроэлектроники с субмикронными размерами. // Матер, конф. X юбилейного Международного форума и выставки «Высокие технологии XXI века». М., 2009, с.7-9.

10. A.B. Беспалов, O.JT. Голикова, H.H. Новицкий, А.И. Стогний. О нелокальном перераспределении материала в окрестности дефектов роста в GaN при ионно-лучевой обработке. // Тез. докл. 7 Всероссийской конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы», С-Пб., 2010, с. 234-235.

11. A.B. Беспалов, O.JI. Голикова. Постростовая обработка пленок GaN в областях контактной металлизации. // Тез. докл. 7 Всероссийской конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы», С-Пб., 2010, с. 195-196.

12. A.B. Беспалов. Применение сфокусированных ионных пучков для анализа поперечных сечений и дефектов роста методами СПЭМ и РЭМ в GaN. Труды XIV Междунар. симп. «Нанофизика и наноэлектроника». Нижний Новгород, 2010, с.535-536.

13. А.И. Стогний, М.В. Пашкевич, H.H. Новицкий, A.B. Беспалов, F. Fettar. Ионно-лучевое конструирование многослойных наноструктур Co/TiCb с объёмоподобными свойствами парциальных слоев. // Труды XIV Междунар. симп. «Нанофизика и наноэлектроника». Нижний Новгород, 2010, с.405-406.

14. О.Л. Голикова, A.B. Беспалов, В.Я. Шкловер, П.Р. Казанский. 3D реконструкция микро- и наноразмерных объектов с использованием систем Dual Beam FIB/SEM, Тез. докл. XXIII Российская конференция по электронной микроскопии. Черноголовка, 2010, с.94.

Подписано в печать 09.09.2010. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 545

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Влияние дефектов роста на свойства пленок АШМ

1.1. Основные методы роста пленок АШЫ материалов

1.2. Дефекты в пленках АПЬЫ материалов

1.3. Точечные дефекты и проблемы легирования

1.4. Влияние дефектов на оптические свойства нитрида галлия

1.5. Влияние дефектов на электрические свойства нитрида галлия

1.6. Атомно-силовая микроскопия (АРМ) поверхности на различных стадиях роста пленочных гетероструктур на основе ваИ

1.7. Воздействие на морфологию и характеристики структур на основе ваЫ в процессах травления

1.8. Омические контакты (ОК) к/?-ОаЫ

1.9. Электронные приборы на основе пленок АШ1Ч материалов 36 Выводы к главе

ГЛАВА 2. Применение методов ионно-лучевого распыления, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии для анализа дефектов роста в GaN

2.1. Использование остросфокусированного ионного пучка метод ИВ) для анализа материалов

2.2. Сравнительный анализ поперечных сечений и дефектов роста в пленках ваИ, полученных методами сканирующей электронной микроскопии

2.3. Ионно-лучевая установка

2.4. Послойный анализ структурных особенностей плёнок

ОаЫ при ионно-лучевом стравливании

2.5. Методы контроля свойств пленок 58 2.6 Моделирование процесса ионного облучения нитрида галлия медленными ионами

Выводы к главе

ГЛАВА 3. Эволюция рельефа поверхности эпитаксиальных слоев нитрида галлия в условиях периодического ионно-лучевого осаждения-распыления

3.1. Классификация дефектов роста в ваИ на основе их распределения по глубине и размерам

3.2. Процессы сглаживания поверхности и заращивания мелких дефектов при длительном распылении

3.3. Механизм заполнения областей протяжённых дефектов при периодическом ионно-лучевом осаждении-распылении

3.4. Роль нелокальных процессов в механизме заращивания сквозных дефектов

3.5. Выводы к главе

ГЛАВА 4. Применение метода периодического ионно-лучевого осаждения-распыления в технологии изготовления омических контактов к р-слоям нитрида галлия и формирования подложек для пленочных структур спинтроники

4.1. Минимизация влияния сквозных дефектов на постростовые операции осаждения-распыления

4.2. Способ изготовления прозрачного омического контакта ВеО/Аи/ВеО/р-СаЫ

4.3. Технология изготовления омических контактов к />-ОаЫ слоям

4.4. Подложки для структур спинтроники на основе эпитаксиальных пленок нитридных полупроводников

4.5. Получение наноразмерных спинтронных структур

Со/ТЮх на сглаженной поверхности GaN

Промышленный выпуск светодиодов и лазеров для видимой области спектра на основе нитрида галлия и родственных ему соединений был освоен благодаря наличию в этих материалах запрещенной зоны с прямыми переходами, энергия которых может изменяться от красной области спектра для InN до дальней ультрафиолетовой области для A1N, прочной химической связи, которая устойчива к образованию и миграции дефектов в рекомбинационных процессах. Эти твёрдотельные источники излучения применяются в высококачественных больших уличных телевизионных экранах, декоративной иллюминации, в светофорах, в лазерах проигрывателей компакт-дисков с большой емкостью оптической информации. Голубые или ультрафиолетовые фотоны обладают возможностью возбуждать люминофоры, излучающие белый свет. В настоящее время в бытовом и уличном освещении происходит вытеснение ламп накаливания светодиодами, которые становятся все более эффективными (больше 100 лм/вт) и более долговечными (более 10000 часов срок службы).

Гетероструктуры на основе соединений AmN перспективны для разработки транзисторов нового поколения, изготовления мощных, сверхвысокочастотных усилителей, работающих на основе структур AlGaN/GaN с высокой подвижностью электронов.

В настоящее время активно развивается направление по созданию нечувствительных (прозрачных) к видимому свету детекторов («солнечнослепых» датчиков) с высокой радиационной стойкостью.

Многочисленные публикации теоретического и экспериментального характера по проблеме получения комнатнотемпературных ферромагнитных полупроводников, показывают на перспективность выращивания твердых растворов с магнитными катионами на основе AniN, а также на возможное использование пленок рассматриваемых материалов в качестве подложек при синтезе спинтронных структур.

Научные исследования в области АШН материалов в настоящее время стимулируются тем фактом, что их коммерческое применение опережает уровень понимания процессов, благодаря которым получены положительные результаты по практическому использованию. Более того, в настоящее время светодиоды изготавливаются из пленок с плотностью ростовых дислокаций 10 ^ вплоть до 10 см"". Это связано с отсутствием эпитаксиально согласованных подложек, из-за чего рабочие структуры получают при помощи гетероэпитаксиального осаждения на подложки других веществ, таких как сапфир или карбид кремния, а в последнее время и кремния.

В настоящее время первостепенными становятся задачи анализа дефектов роста, установления характера их влияния на характеристики приборных структур и определение путей устранения их отрицательного влияния на последние.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Нитрид галлия (ОаТчГ) и другие родственные соединения типа АП1Ы (А111 галлий, индий или алюминий) представляют собой группу полупроводниковых материалов, которые по промышленной значимости среди материалов электронной техники уступают только кремнию и арсениду галлия.

Основным стимулом для постановки научных исследований, посвященных проблеме АШЫ материалов, является существенное отставание необходимого уровня понимания процессов, протекающих при получении эпитаксиальных структур ваЫ, от их применения для приборов различного функционального назначения, включая приборы опто-, СВЧ- электроники, а также при использовании твёрдых растворов на основе АШЫ с магнитными катионами в качестве подложек при синтезе спинтронных структур.

В процессе применения пленок ОаЫ в приборных структурах возникает ряд проблем, например, при создании оптически прозрачного высокостабильного омического контакта к плёнкам /?-типа из-за высокой 5 работы выхода у нитрида галлия и большой концентрации ростовых дефектов в эпитаксиальных слоях. Для решения проблемы влияния дефектности структуры эпитаксиальных плёнок ваИ на характеристики приборов необходим поиск методов постростовой обработки пленок, направленный на уменьшение степени этого влияния. Ранее использовались процессы осаждения-распыления металл-оксидных слоев химически активными ионами. В результате было установлено, что облучение ионами кислорода с энергией до 400 эВ в процессе постростовой обработки не ухудшает исходной структуры ваИ и позволяет заращивать мелкие ростовые дефекты. Однако указанный подход не позволял полностью избавиться от утечек тока в вертикальных приборных структурах в связи с тем, что отсутствовал детальный анализ поверхностных и объемных дефектов в эпитаксиальных структурах ОаЫ.

Достигнутый уровень современных экспериментальных исследований позволяет на основе комплексного применения сканирующей электронной и ионной микроскопии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии и ионно-лучевого распыления поставить задачу проведения детального анализа распределения дефектов в эпитаксиальных слоях ваЫ по толщине, классифицировать дефекты по размерам, определить области их повышенной концентрации и особенности формирования в отдельных зонах роста, а также предложить методы нейтрализации ростовых дефектов при постростовой обработке как в активных областях приборов (например, областях /-типа), так и в слое р-типа проводимости, к которому формируется омический контакт.

Указанные проблемы определяют актуальность настоящей диссертационной работы и являются предметом ее исследования.

Цель работы

Исследование морфологии эпитаксиальных плёнок ваЫ в области дефектов роста и разработка метода целенаправленного модифицирования поверхности эпитаксиальных пленок нитрида галлия, содержащих различные типы ростовых дефектов, периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением для их заращивания.

Задачи исследования

Исследовать особенности распределения ростовых дефектов в эпитаксиальных плёнках GaN.

Исследовать процесс заращивания дефектных областей эпитаксиальных плёнок GaN ионно-лучевым осаждением-распылением.

Разработать и реализовать метод модифицирования дефектных эпитаксиальных пленок нитрида галлия периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением с использованием металл-оксидных слоев.

Использованная аппаратура и методы исследования

Исследования эпитаксиальных плёнок проводились методами оптической, растровой электронной (SEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM) в сочетании с фотолюминесценцией. Электропроводность слоев контролировалась двух— и четырёхзондовым методами.

Реализация процессов обработки плёнок GaN в режиме «осаждения-распыления» проводилась на установке, оснащенной широкоапертурными источниками ионов с холодным полым катодом на основе двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления.

Для исследования структуры дефектов и механизмов их заращивания при постростовой обработке дополнительно использовался метод получения вертикальных сечений эпитаксиальной плёнки GaN в области дефекта сфокусированным ионным пучком (FIB: focused ion beam) с последующим анализом с помощью растровой электронной микроскопии высокого разрешения. Методика реализована на двухлучевом комплексе DualBeam (FIB/SEM) systems, Helios NanoLab (FEI Company).

Использованные современные средства и методики обеспечивают высокую достоверность полученных результатов и создают предпосылки к объяснению совокупности экспериментальных данных и формированию обоснованных выводов.

Научная новизна работы

Впервые разработан комплексный метод качественного и количественного анализа дефектов роста в эпитаксиальных слоях ваЫ, включающий контроль их распределения по поверхности и объему и сочетающий ионно-лучевое распыление материала кислородом, наноразмерное локальное препарирование плёнки сфокусированным ионным пучком и растровую электронную микроскопию высокого разрешения.

Определены основные механизмы протекания процесса комбинированного ионно-лучевого «бездефектного» осаждения-распыления металл-оксидных слоёв в среде кислорода и показано, что выравнивание микрорельефа поверхности пленки ОаЫ заращивающим слоем достигается за счёт практически двукратного превышения скорости осаждения металл-оксидов во впадинах по сравнению с нарастанием слоя на плоских участках.

Предложен и реализован метод заращивания ростовых дефектов в пленках ваЫ, распространяющихся до границы раздела «плёнка-подложка», многократным периодическим осаждением-распылением толстого, сравнимого с толщиной эпитаксиальной пленки, слоя оксида алюминия (АЮХ) с последующим осаждением-распылением слоя оксида бериллия (ВеО) толщиной менее 5 нм.

Положения, выносимые на защиту

Сочетание низкоэнергетичного ионно-лучевого распыления эпитаксиальных слоев ОаЫ кислородом, их локального препарирования сфокусированным ионным пучком и электронной микроскопии высокого разрешения обеспечивает выявление, локализацию и позволяет осуществлять классификацию комплекса типовых, для различных методик роста СаЫ, дефектов по глубине и поверхности слоя.

Реализация процесса последовательного многократного ионно-лучевого осаждения-распыления слоёв АЮХ на поверхности эпитаксиальных пленок ОаИ, сравнимой с ними толщины, обеспечивает заращивание поверхностных мелких и объёмных глубоких дефектов роста, выходящих на поверхность эпитаксиальной пленки ваИ.

Механизм преимущественного заполнения наносимым диэлектриком микрорельефа поверхности эпитаксиальной пленки ваИ при заращивании поверхностных мелких и объёмных глубоких дефектов роста состоит в повышении скорости его осаждения в области дефекта по сравнению с планарной поверхностью плёнки, что обусловлено комбинацией трёх факторов: геометрией потока распыляемого материала (определяемой угловой зависимостью коэффициента распыления); массопереносом осаждаемого материала в зоне ростового дефекта (стимулированного энергетической неоднородностью зоны дефекта); продольным массопереносом материала по поверхности эпитаксиального слоя (стимулированного воздействием ионного пучка на материал).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

Разработан и реализован метод модифицирования дефектных эпитаксиальных пленок нитрида галлия периодическим ионно-лучевым осаждением-распылением с использованием металл-оксидных слоёв, являющийся базой для ряда технологических операций в процессе изготовления приборов на основе ОаТЧ, включая:

- изготовление контактных систем ВеО/Аи/ВеО к />СаЫ для оптоэлектронных приборов, работающих вплоть до ультрафиолетовой области спектра (патент РФ на изобретение № 2399986, приоритет от 16.01.2009).

- формирование планарной поверхности постростовой обработкой эпитаксиальных плёнок ваЫ, являющихся подложками большой площади для структур спинтроники на основе наноразмерных слоевых композиций Со/ТЮ2.

Результаты работы использованы в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» при выполнении НИР, направленной на разработку и исследование оптоэлектронных структур на основе нитрида галлия для высокоэффективных источников излучения.

Результаты внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), начиная с 2008/2009 учебного года, в качестве дополнения к курсу лекций по дисциплинам «Технология материалов и изделий электронной техники», «Физика и технология квантово-размерных структур и приборов на их основе» и при проведении практических занятий со студентами 5 курса.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

6-я и 7-я Всероссийских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» (С-Пб., 2008 и 2009 гг.)

XIII и XIV Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009 и 2010 гг.), на конференции X Юбилейного Международного форума и выставке «Высокие технологии XXI века (М., 2009 г.),

XXIII Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка,

2010 г.).

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано: 3 статьи в журналах, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 10 тезисов докладов на конференциях и симпозиумах.

Все экспериментальные результаты, включая вошедшие в совместные с соавторами публикации, получены при непосредственном участии автора настоящей диссертационной работы.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы, включающего 110 наименований. Работа изложена на 118 страницах, содержит 34 рисунка и 8 таблиц.

Выводы к главе 3

Приведена классификация ростовых дефектов, оценка их геометрических размеров, глубины расположения и концентрации.

Предложен и исследован метод их заращивания методом периодического осаждения-распыления слоев родственных по природе материалов. Установлено, что толстый слой оксида алюминия в процессе периодического осаждения-распыления преимущественно заполняет дефекты субмикронных и микронных размеров, ликвидируя каналы возможных утечек и пробоев в приборных структурах. При этом поверхность становится менее развитой и ее шероховатость уменьшается практически на порядок.

Установлено также, что при заполнении диэлектриком глубоких дефектов наблюдается дополнительное латеральное перераспределение материала в окрестности дефектов роста при ионно-лучевой обработке ОаЫ.

На основании экспериментальных исследований сделаны предположения о возможных механизмах заращивания дефектов в Оа]\Г, обусловленных комбинацией трёх факторов:

- геометрией потока распыляемого материала, определяемого угловой зависимостью коэффициента распыления;

- массопереносом осаждаемого материала в области ростового дефекта, стимулированного ее энергетической неоднородностью;

- продольным массопереносом материала по поверхности эпитаксиального слоя, стимулированного воздействием ионного пучка на материал.

Указанные факторы сложным образом связаны между собой и их интегральное действие позволяет объяснить процесс преимущественного заполнения пустот в области дефектов более чем вдвое быстрым осаждением материала во впадинах по сравнению с плоскими участками. I 1

Глава 4. Применение метода периодического ионно-лучевого осаждения-распыления в технологии изготовления омических контактов к р-слоям нитрида галлия и формирования подложек для пленочных структур спинтроники

4.1. Минимизация влияния сквозных дефектов на постростовые операции осаждения-распыления

Технологический процесс минимизации влияния сквозных ростовых дефектов на поверхности необходим при формировании низкоомного оптически прозрачного омического контакта повышенной термической стабильности. Результаты предыдущих глав позволяют разработать его на основе операций ионно-плазменной очистки поверхности эпитаксиального слоя />ОаЫ посредством периодического осаждения-распыления слоя оксида алюминия толщиной не менее 30 % от толщины эпитаксиального слоя (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Постростовое заращивание дефектов в эпитаксиальных слоях ва№ а) исходное состояние, 6) осаждение АЮХ, в) распыление АЮХ, г) нанесение подслоя ВеО для омического контакта. Стадии б ив повторяются многократно.

4.2. Способ изготовления прозрачного омического контакта

BeO/Au/BeO/p-GaN

Прозрачные омические контактные структуры к эпитаксиальным слоям р-ваК являются составной частью приборов, где вывод и прием излучения осуществляется верхним р-слоем. Контакты, должны обеспечивать оптическую прозрачность более 50% в рабочем интервале длин волн, а также соответствовать стандартным требованиям, основными из которых являются низкое значение контактного сопротивления, механическая прочность и термическая стабильность при длительной непрерывной эксплуатации [38, 79].

Термическая стабильность контактной структуры к р-ваИ достигается за счет того, что периодически наносится и удаляется дополнительный толстый слой оксида алюминия. Происходит преимущественное заполнение пустот и проколов, образовавшихся при росте пленки, диэлектрическим материалом, близким по свойствам к соединениям нитридов третьей группы элементов, без его постороннего присутствия на плоских (бездефектных) участках поверхности. В результате исключаются наиболее активные в электрическом плане низкоомные шунтирующие каналы утечек тока без нарушения вакуумного цикла формирования контактной структуры и без ухудшения ее исходных свойств.

Предварительно прошедшие стандартную химическую обработку образцы помещались в установку двойного ионно-лучевого распыления-осаждения. Поверхность пленок эпитаксиальных слоев в течение 20-30 минут обрабатывалась пучком ионов азота с энергией до 200 эВ с целью очистки. Затем производилось напыление мишени алюминия ионами кислорода в атмосфере кислорода и нанесение со средней скоростью 4.3 нм/мин пленки оксида алюминия на поверхность эпитаксиальных слоев. Толщина и состав пленочной эпитаксиальной структуры задавались условиями роста. Приведем для демонстрации экспериментальные данные, полученные на эпитаксиальной структуре толщиной 1200 нм. Дефектные участки поверхности имеют вид впадин на рельефе поверхности с площадями поперечного сечения в десятки-сотни квадратных нанометров. Они заполняются более чем в два раза быстрее, чем ровные участки поверхности, при нанесении пленок оксидов алюминия в условиях ионно-лучевого распыления-осаждения, рассмотренных в главе 2. За время 120 минут на плоские участки поверхности р-слоя происходило нанесение пленки оксида алюминия толщиной около 520 нм. Затем оксид алюминия удалялся с плоских участков поверхности распылением ионным пучком азота с энергией до 200 эВ и плотностью тока 0,6 мА/см". Одновременно происходило удаление оксида алюминия и в области проколов, но при этом протекали также процессы переосаждения продуктов распыления, в том числе с плоских участков поверхности во впадины рельефа, как и внутри области самих проколов. Поэтому наблюдался даже рост эффективной толщины заполняющего пустоты слоя, если их площадь эффективного сечения не превышала десятков квадратных нанометров. Плёнка оксида алюминия распылялась пучком ионов азота на плоских участках поверхности с эффективной скоростью около 11 нм/мин. Скорость распыления поверхности р-слоя ваИ после ее вскрытия по мере удаления слоя оксида алюминия не превышала 0,2 нм/мин. Это позволило пренебрегать воздействием ионов азота с энергией менее 200 эВ на толщину вскрытого р-слоя. Завершение процесса удаления оксида алюминия с плоских участков поверхности фиксировалось по изменению интенсивности спектра отраженного сигнала от поверхности тестовых образцов по мере удаления оксида алюминия, откалиброванного по времени распыления. После этого производилось последовательное осаждение путем дискретного вращения трехпозиционной металлической мишени слоя ВеО (со скоростью нанесения 0,6 нм/мин), золота, а затем второго слоя ВеО.

Как видно из рис. 4.2, а, на поверхности эпитаксиальной структуры в центре хорошо различимы искаженной гексагональной формы пустоты глубиной порядка 1мкм. После выполнения описанного технологического процесса характерный вид поверхности вместе с нанесенной на нее контактной структурой принимает вид, показанный на рис. 4.2, б. Сравнение изображений показывает, что на поверхности конечного вида отсутствуют электрически активные дефектные области, причем даже в местах, соответствующих нахождению на исходной структуре пустот ростовой природы происхождения.

Испытания на термическую стабильность контактных структур, изготовленных предложенным способом, показало, что исходное контактное сопротивление составляло 3-ИИ О"4 Ом-см. После выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550°С, контактное сопротивление увеличилось незначительно до значений менее 10" Ом-см (в близких условиях [68] оно увеличилось до 2,2-10"3 Ом-см), но сохраненило прозрачность в 80% на длине волны 460 нм. Таким образом, термическая стабильность полученной здесь контактной структуры была в два раза выше, чем у известной [64, 65, 66, 68] при сравнимых значениях остальных характеристик (табл. 4.1).

Рис.4.2. Поверхность р-слоя ОаЫ в исходном виде (а) и после постростового заращивания (б).