CC BY
32
истого соединения РЬ8Ь2Те4 [Текст] / М.К Житин-ская, С.А Немов, Л.Е. Шелимова [и др.]// Физика твердого тела,- 2008,- Т. 50,- Вып. 1,- С. 8-10.
4. Немов, С.А. Об анизотропии рассеяния дырок в слоистом соединении РЬ8Ь2Те4 по данным коэффициента Нернста — Эттингсгаузена [Текст] /С.А. Немов, М.К. Житинская, Л.Е. Шелимова [и др.] // Физика твердого тела.— 2008.— Т. 50,- Вып. 7,- С. 1166-1168.
5. Житинская, М.К. Влияние легирования медью на кинетические явления в кристаллах ^12^2,85^60,15 [Текст] / М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова // Физика и техника полупроводников.— 2007.— Т. 41.— Вып. 10.— С. 1158-1162.
6. Аскеров, Б.М. Кинетические эффекты в полупроводниках [Текст] / Б.М. Аскеров.— Л.: Наука, 1970,- 303 с.
УДК621.31 5.592
А.И. Цюк, В.В. Вороненков, Р.И. Горбунов, Ф.Е. Латышев, Н.И. Бочкарева
РЕЖИМЫ РОСТА НИТРИДА ГАЛЛИЯ ПРИ ХЛОРИДГИДРИДНОЙ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ
Нитрид галлия — широкозонный прямозон-ный полупроводник, использующийся в синих и ультрафиолетовых светодиодах и лазерах, а также мощных высокочастотных устройствах. Из-за недостатка родственных подложек нитрид галлия СаМ получают гетероэпитаксией, как правило, на сапфире. Это приводит к большой плотности дислокаций (109 —1010 см-2) в выращенном материале. Плотность дислокаций снижается с толщиной, поэтому одним из методов улучшения качества материала является выращивание толстых пленок.
Метод хлоридгидридной газофазной эпи-таксии (ХГФЭ) позволяет достичь высоких скоростей роста (до 400 мкм/ч) и выращивать толстые пленки нитрида галлия. При росте толстых слоев особенно остро встает проблема возникновения механических напряжений в пленках, из-за которых пленка изгибается и может растрескаться.
Механические напряжения в пленках нитрида галлия можно условно разделить на два типа — внешние и внутренние. Внешние возникают из-за воздействия на пленку подложки. Типичным примером такого напряжения является термонапряжение, возникающее из-за разницы температурных коэффициентов расширения подложки и пленки. В системе нитрид
галлия/сапфир для СаМ термонапряжение сжимающее, что приводит к изгибу структуры при комнатной температуре. Термонапряжение хорошо известно и рассчитывается методами теории упругости [1].
Внутреннее напряжение возникает в пленке при росте и называется ростовым. Для нитрида галлия это, как правило, растягивающее напряжение [2].
На данный момент нет ясности в вопросе возникновения ростового напряжения, и ни одна из причин не может считаться твердо установленной. Одна из возможных причин возникновения ростового напряжения — коалесценция зародышей [3], другая — наклон краевых дислокаций [4].
Данная работа посвящена исследованию влияния условий роста на величину ростового напряжения и морфологию пленок.
Экспериментальная часть
Все образцы были выращены в вертикальном шестиподложечном ХГФЭ-реакторе. Рост проводился на подложках сапфира диаметром 2 дюйма (5,08 см). Перед депозицией сапфировые подложки отжигались при температуре 1060 °С в атмосфере аммиака в течение 10 мин. Далее наносился буферный слой при давлении
4
Физика конденсированного состояния^
250 Topp и температуре 800 °С в течение 3 мин. Затем реактор нагревался до температуры роста в атмосфере аммиака. Выращивание проводилось при температурах 1040—1130 °С и давлении 800 Topp. Скорость роста регулировалась подачей хлористого водорода в реактор и изменялась в диапазоне 20—180 мкм/ч.
Измерение кривых качания образцов проводилось на модифицированном двухкристальном дифрактометре ДРОН-4 от плоскостей (0002). Плотность дислокаций определялась методом подсчета ямок травления. Травление производилось в расплаве едкого калия при температуре 450 °С в течение 3 минут.
Результаты и их обсуждение
Было обнаружено два режима роста пленок нитрида галлия: «питов» и «трещин». В области параметров роста эти режимы расположены близко друг к другу однако пленки, выращенные в разных режимах, значительно различаются по структуре и морфологии.
Режим питов. Пленки, выращенные в этом режиме, обладают шероховатой поверхностью, которая состоит из террас и ^-образных дефектов (питов). На рис. 1, а представлена микрофотография такой пленки. По ее сколу видно, что неоднородности поверхности связаны с малоугловыми плоскостями, которыми огранены зерна. Обычно в таких пленках не содержится трещин. Типичное значение ширины кривой
качания пленки толщиной 30—40 мкм, выращенной в режиме питов, составляет величину 370—400". Из-за наличия большого количества дефектов на поверхности, определить плотность дислокаций в таких слоях методом подсчета ямок травления сложно.
Величина напряжения в таких пленках может быть оценена путем численного расчета на основе анализа их кривизны [5]. Это напряжение является суперпозицией ростового и термонапряжений. Термонапряжение поддается расчету методами теории упругости [1]. Таким образом, величина ростового напряжения равна разности суперпозиции и термонапряжения. Подобная оценка обычно дает значение величины растягивающего ростового напряжения в диапазоне 120—170 МПа для пленок, выращенных в режиме питов.
Режим трещин. Пленки, выращенные в указанном режиме, обладают зеркальной поверхностью, на которой наблюдаются шестигранные пирамиды. Такие пленки содержат трещины, которые , как правило, не выходят на поверхность (рис. 1, б). Эти трещины расположены слоями друг над другом. Как правило, направление трещин совпадает с кристаллографическим [1120]. С помощью оптического микроскопа при фокусировке на разную глубину можно оценить расстояние между слоями трещин. Типичное среднее значение этого расстояния составляет 5— 15 мкм в зависимости от режима роста.
Рис. 1. Микрофотографии пленок, выращенных в разных режимах: а — питов; б — трещин. Фото на вставках: а — скола пленки; б — поверхности пленки (получена в интерференционном контрасте Номарского)
ЮОмкм
Мы предполагаем следующий механизм возникновения таких трещин. Пленка нитрида галлия растет растянутой. Энергия упругих напряжений увеличивается по мере роста толщины пленки вплоть до момента, когда становится энергетически выгодно снизить эту энергию за счет образования трещин. Затем возникшие трещины зарастают, и энергия упругих напряжений вновь начинает увеличиваться вплоть до следующего растрескивания. Процесс повторяется несколько раз, и в результате формируется подобная структура трещин.
Нами установлено, что плотность трещин меньше в каждом последующем слое, по сравнению с предыдущим, хотя этот эффект не всегда ярко выражен. В общем случае плотность трещин, а также скорость ее снижения от слоя к слою зависят от условий роста.
Пленки, выращенные в режиме трещин, характеризуются рентгеновскими кривыми качания (0002) в диапазоне 900—2000". По всей видимости это связано с растрескиванием. Гладкая поверхность этих пленок позволяет оценить количество дислокаций с помощью метода подсчета ямок травления; в таких пленках она обычно
7 _т
составляет 5-10 см ^ при толщинах 30—40 мкм.
Метод измерения кривизны не применим для оценки величины ростового напряжения в пленках, содержащих трещины. В этом случае указанную величину можно оценить по среднему расстоянию между трещинами в слое или по
30 150 1/р., мкм/ч
Рис. 2. Поле параметров для двух режимов выращивания пленок нитрида галлия. Звездой отмечена область параметров выращивания пленки, фотография которой приведена на рис. 3
1 2
расстоянию между слоями [2]. Такой анализ позволил нам получить значения порядка 250— 400 МПа, что примерно в два раза выше, чем для образцов, выращенных в режиме питов.
Переход между режимами. Режим, в котором выращивается пленка, определяется ростовыми параметрами, в первую очередь температурой и скоростью роста. На рис. 2 схематически показаны области параметров для этих двух режимов. Видно, например, что для роста пленки в режиме питов, необходимо снизить температуру и повысить скорость роста.
Нами установлено, что пленки, выращенные в одном режиме, но при различных ростовых параметрах, могут отличаться шероховатостью поверхности либо плотностью трещин, однако качественных отличий в них не будет. В режиме трещин результатом будет пленка с гладкой поверхностью, но с трещинами в объеме. В режиме питов поверхность получится шероховатой, но в объеме трещин не будет.
Для изучения перехода между двумя режимами была выращена пленка при высокой скорости роста и наличии температурного градиента вдоль подложки (рис. 3). На фотографии пленки видны две различные области. Верхняя часть пленки выросла в режиме питов, тогда как нижняя — в режиме трещин. Переходная область между ними довольно узкая. Этот эксперимент показывает, что переход от одного режима к другому происходит не постепенно, а скачком при малом изменении температуры.
Двустадийный рост. Поскольку режимы питов и трещин расположены очень близко друг к другу в области параметров роста, задача вырастить пленку без трещин и с гладкой поверхностью в одну стадию представляется трудновыполнимой. Одним из возможных методов получения такой пленки является использование двустадийной методики.
На первой стадии условия подбираются такими, чтобы пленка росла в режиме питов. На второй стадии необходимо так изменить условия роста, чтобы пленка росла в режиме трещин. С помощью этой методики нам удалось получить пленки нитрида галлия толщиной до 200 мкм без трещин и с гладкой поверхностью. Плотность дислокаций в таких пленках состав-
7 _т
ляла порядка 2-10 см Типичная ширина кри-
"
Рис. 3. Фотография пленки, выращенной в условиях высокой скорости роста на градиенте температур (см. рис. 2). Слева показан приблизительный температурный градиент вдоль подложки при росте. Справа три микрофотографии, сделанные последовательно вдоль ростового градиента температуры
Физика конденсированного состояния
При разработке технологии выращивания пленок нитрида галлия нами обнаружено два режима роста нитрида галлия — «трещин» и «питов». Пленки, выращенные в режиме трещин, обладают зеркальной поверхностью, но содержат трещины. Пленки, выращенные в режиме питов, не содержат трещин, но обладают шероховатой поверхностью.
Выбор режима роста зависит от ростовых параметров. Переход между режимами происходит не постепенно, а скачком при малом изменении параметров.
Если выращивать пленку в две стадии — сначала в режиме питов, а потом в режиме трещин, то удается получать пленки без трещин и с гладкой поверхностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Paskova, T. Effect of sapphire-substrate thickness on the curvature of thick GaN films grown by hydride vapor phase epitaxy |Text| / T. Paskova., L. Becker, T. Böttcher |et al.| // J. Appl. Phys.- 2007.— Vol. 102,- № 12,- P. 123507-123511.
2. Etzkorn, E. Cracking in GaN films grown by hydride vapor phase epitaxy |Text|: Ph.D. thesis / E. Etzkorn.— Santa-Barbara: Univ. of California, 2005.-347 p.
3. Nix, W.D. Crystallite coalescence — a mechanism for intrinsic tensile stresses in thin films |Text| / W.D. Nix, B.M. Clemens // J. Mat. Res.-1999.-
Vol. 14,- № 3,- P. 3467-3473.
4. Romanov, A.E. Stress relaxation in mismatched layers due to threading dislocation inclination [Text] / A.E. Romanov, J.S. Speck//App. Phys. Lett.— 2003.— Vol. 83,- № 13,- P. 2569-2572.
5. Glos, R. Wafer curvature in the nonlinear deformation range |Text| / R. Clos, A. Dadgar, A. Krost // Phys. Stat. Sol. A.- 2004,- Vol. 201,- № 11,-P R75-R78.
6. Etzkorn, E.V. Cracking of GaN films / E.V. Etzkorn, D.R. Clarke //J. App. Phys.- 2001,- Vol. 89,-№ 2,- P. 1025-1034.
