Metody osadzania materiałów AIII-N na podłożu krzemowym cd.

3. WYNIKI BĄDAŃ NAD STRUKTURAMI GaN/Si.

Od szeregu lat w Zakładzie Przyrządów Półprzewodnikowych Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej prowadzane są badania nad epitaksją azotków trzeciej grupy układu okresowego techniką MOVPE (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy) na podłożach heteroepitaksjalnych. Początkowe badania, nad epitaksją azotku galu na krzemie, dotyczyły możliwości wykorzystania niskotemperaturowych warstw azotku galu i azotku glinu jako warstw buforowych ograniczających podtrawianie krzemu przez wysokotemperaturowy GaN oraz utrudniających formowanie się maski SixNy. Epitaksję prowadzono na podłożach o orientacji (111) i (001). Stosowanie cienkich warstw GaN (ok. 20 nm) osadzanych w temperaturze 450+/-0540 st. C (LT-GaN) nie zapewnia dobrego zarodkowania i prowadzi do formowania się polikrystalicznej warstwy wysokotemperaturowej (Rys. 1a). Poprawę morfologii zaobserwowano po zastosowaniu warstw AlN wykonanych metodą impulsowego rozpylania magnetronowego, oraz metodą MOVPE. Obserwowano, że najlepsze parametry GaN uzyskuje się dla epitaksjalnych warstw AlN o grubości 20+/-30nm nanoszony w temp. 650+/-700 st. C. Azotek galu osadzany na takich podłożach narażony jest na silne naprężenia rozciągające podczas wzrostu i w trakcie chłodzenia warstwy. Rys. 1 b przedstawia zdjęcie SEM powierzchni GaN osadzonej na LT-AlN/Si. Widoczne są charakterystyczne pęknięcia wzdłuż kierunku GaN powstałe w wyniku niedopasowania strukturalnego podłoża i warstwy epitaksjalnej. Pomiary dyfraktometryczne potwierdziły, że na podłożach krzemowych o orientacji (111) możliwy jest wzrost GaN o strukturze wurcytu, natomiast na podłożach Si (001) w warstwach o strukturze wurcytu obserwowano wtrącenia fazy kubicznej.



Jednym z przykładów przyrządowego zastosowania opisanej techniki jest selektywne pokrywanie azotkiem galu krzemowych ostrzy emiterów polowych. Stosowanie GaN podnosi trwałość ostrzy, obniża szumy a także zwiększa emisyjność. Zaletą emiterów półprzewodnikowych jest prostota ich wykonania (formowanie mikromechaniczne) i mniejsza reaktywność w porównaniu z elektrodami metalowymi. [4] Krzemowe katody w postaci stożków były wytwarzane w procesie anizotropowego trawienia podłoży o orientacji (001). Następnie podłoża były myte w rozpuszczalnikach organicznych, trawione w 10% wodnym roztworze buforowanego HF i ładowane do reaktora MOVPE. Po termicznym czyszczeniu w atmosferze redukcyjnej wodoru na powierzchnię nanoszona była warstwa 10+/-20nm AlN (650 st. C). W celu uniknięcia powstawania amorficznego azotku krzemu na podłożu, amoniak wpuszczany był do reaktora o ok. 8+/-10 sekund później niż TMAl. Dzięki temu na powierzchni tworzą się pojedyncze monowarstwy glinu chroniące podłoże krzemowe przed wpływem aktywnego azotu. Wzrost warstw GaN prowadzono w temperaturze 1040 st. C. Wybierając odpowiednie warunki wzrostu (szybkość przepływu gazów reakcyjnych i stosunek molowy źródeł galu i azotu) można ograniczyć narost GaN tylko do wierzchołków ostrzy krzemowych. Gotową matrycę emiterów krzemowych pokrytych warstwą GaN oraz pojedynczą katodę przedstawia Rys.2 a i b [3].



Pomiary prądu emisji wykonane w układzie diodowym wykazały polowy charakter emisji. Z matrycy o wymiarach 1*1 mm2 (ok. 2000 ostrzy) uzyskano prąd emisji dochodzący do 2 mA. Ponadto stwierdzono, że pokrycie ostrzy azotkiem galu podnosi ich emisyjność i poprawia stabilność. Rys. 3a przedstawia wykres emisyjności, natomiast wykres Fowlera –Nordheima matrycy ostrzy krzemowych, potwierdzający polowy charakter emisji przedstawiono na Rys. 3b.



Badania prowadzone przez autora w ramach pracy dyplomowej miały na celu sprawdzenie przydatności alternatywnych warstw buforowych do osadzania azotków na podłożach krzemowych. Warstwy buforowe kompensują naprężenia a także chronią podłoże krzemowe przed wpływem aktywnego azotu i podtrawianiem przez gal podczas epitaksji. Jako warstwy buforowe stosowano TiN oraz wielowarstwy GaAs/AlAs nanoszone na podłoża krzemowe. Warstwa azotku tytanu wytwarzana była metodą rozpylania magnetronowego, następnie tak przygotowane podłoże ładowano do reaktora epitaksjalnego MOVPE i prowadzono wzrost GaN. Zaobserwowano, że na powierzchni formowały się struktury polikrystaliczne wywołane słabą zwilżalnością powierzchni TiN przez GaN oraz niedopasowaniem strukturalnym obu materiałów. Rys. 4 a i b przedstawia zdjęcia powierzchni.


Jako warstwę buforową wykorzystano również wielowarstwy GaAs(50nm)/AlAs(100nm)/GaAs(230nm) nanoszone na podłoże krzemowe metodą MOVPE. GaAs poddawany azotowaniu w atmosferze amoniaku w temperaturze powyżej 550 st. C ulega rozkładowi i przekształca się w amorficzny GaAsN. W wyniku podgrzewania następuje desorpcja atomów arsenu w miejsce którego wbudowuje się azot. W rezultacie powstaje warstwa GaN [5]. Na tak przygotowanym podłożu w temperaturze 950+/-1020 st. C prowadzono wzrost warstwy wysokotemperaturowej GaN. Zdjęcia powierzchni z naniesionym GaN przedstawiono na Rys. 4c i d. Obserwowano charakterystyczną morfologię powierzchni z heksagonalnymi wyspami o wymiarach dziesiątków mikrometrów. Zauważono, że przy grubościach przekraczających 2μm następowało pękanie i złuszczanie warstw podczas schładzania po procesie wzrostu.

Warstwy GaN poddano badaniom fotoluminescencyjnym. Jako źródło pobudzające zastosowano laser Ar+, natomiast jako detektor stosowano kamerę CCD lub fotopowielacz w celu poprawy rozdzielczości pomiaru. Zmierzono warstwy osadzane na TiN oraz cztery próbki AlAs/Si różniące się parametrami procesu wzrostu. Wyniki pomiarów przedstawiono na Rysunku 4a i Rysunku 4b. Obserwowano wzrost intensywności fotoluminescencji dla energii 3,4 eV odpowiadający przejściom pasmo-pasmo w GaN. Ponadto w zakresie 1,7+/-2,5 eV występowało tzw. pasmo żółtej luminescencji charakteryzujące stopień zdefektowania materiału. Pomiary wykazały, że najlepsze wyniki uzyskuje się dla warstw osadzanych w temperaturze 1020 st. C.

Autor: Mateusz WOŚKO (opiekun dr hab. inż. Regina PASZKIEWICZ)

LITERATURA

[1] A. Dagar, A. Krost, GaN-based optoelectronics on silicon substrates, Mater. Sci. Eng. B93, 2002, 77-84.
[2]A. Dadgar i inni, MOVPE growth of GaN on Si(111) substrates, J. Cryst. Growth 248, 2003, 556-562.
[3] W. Czarczyński, St. Łasisz, R. Paszkiewicz, J. Kozłowski, Z. Znamirowski, M. Tłaczała, Field emission properties of GaN deposited on Si substrate by means of MOVPE method, Appl. Surf. Sci. 151, 1999.
[4] R. Paszkiewicz, Application of selective area epitaxy for GaN devices, Opt. Appl. 32, 2003, 503-508.
[5] B. Ghosha, A. Hashimotoa, Y. Itob, T. Tanikawaa, A. Yamamotoa, Reduced-stress GaN epitaxial layers grown on Si(1 1 1) by using a porous GaN interlayer converted from GaAs, J. Cryst. Growth 249, 2003, 422–428.
[6] Y. Honda, Y. Kawaguchi, Y. Ohtake, S. Tanaka, M. Yamaguchi, N. Sawaki, Selective area growth of GaN microstructures on patterned (1 1 1) and (0 0 1) Si substrates, J. Cryst. Growth 230, 2001, 346–350.