СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ GAAS С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНЕТРОННО СФОРМИРОВАННОГО СЛОЯ ДИОКСИДА МАРГАНЦА
METHOD FOR PRODUCING NANOSCALE DIELECTRIC FILMS ON THE SURFACE OF GAAS USING A MAGNETRONICALLY FORMED MANGANESE DIOXIDE LAYER

III
V
Изобретение относится к области формирования диэлектрических пленок нанометровой толщины на поверхности полупроводников AB и может быть применено в технологии создания элементов электроники на поверхности полупроводников, а именно в высокочастотных полевых транзисторах и длинноволновых лазерах, в солнечных батареях, работающих в космосе, для создания структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).
2
5
2
2
2
2
Известно, что наиболее совершенные полупроводниковые гетероструктуры регулируемого состава могут быть синтезированы такими методами, как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и химическое парофазное осаждение (CVD). В работе [Beke S. A rewiew of the growth of VO films from 1885 to 2010 / S. Beke // Thin solid films. - 2011. - Vol. 519. - P. 1761-1771] были синтезированы гладкие пленки, состоящие из оксидов ванадия (IV) и (V) наноразмерного диапазона толщины. В работе [n-VO/p-GaN based nitride-oxide heterostructure with various thickness of VO layer grown by MBE / Minhuan Wang [et. al] // Applied Surface Science. - 2016. - V. 389. - P. 199-204] методом МЛЭ на подложке из нитрида галлия были синтезированы высококачественные пленки VO с прецизионно контролируемой толщиной, составом и морфологией поверхности. Данный подход имеет существенные недостатки: требуется использование дорогостоящего оборудования и высокочистых веществ и материалов, создание глубокого вакуума и т.д. Методы CVD достаточно широко применяются для нанесения оксидных пленок, например, в работе [The growth of thermochromic VO films on glass by atmospheric-pressure CVD: A comparative study of precursors, CVD methodology, and substrates / Dimitra Vernardou, Martyn E. Pemble, David W. Sheel // Chem. Vap. Deposition. - 2006. - Vol. 12. - P. 263-274] рассмотрены различные варианты формирования термохромных пленок диоксида ванадия с использованием различных прекурсоров. Недостатком данного метода является высокая токсичность используемых исходных соединений, а также сложность протекающих химических процессов.
III
V
2
5
2
5
Оксидирование (термическое, анодное, химическое и др.) полупроводников AB является еще одним подходом к формированию функциональных пленок на их поверхности. Согласно [Воздействие поверхностных наноразмерных слоев VO на кинетику термооксидирования GaAs, состав и морфологию выращенных пленок / Е.В. Томина, Б.В. Сладкопевцев, И.Я. Mummoea, Л.С. Зеленина, А.И. Донцов, Н.Н. Третьяков, Ю.Н. Гудкова, Ю.А. Белашкова // Неорганические материалы. - 2015. - Т. 51, №11. - С. 1228-1232] пленки, выращенные в результате термического оксидирования GaAs с предварительно осажденными из аэрозоля слоями геля VO, имеют зеренную структуру со средней высотой рельефа, равной 57 нм. Недостаток данного метода заключается в сложности контроля конечного фазового состава сформированных пленок, что напрямую влияет на их электрофизические свойства.
2
3
2
3
2
2
5
2
3
2
2
3
2
2
3
2
3
4
III
V
Наиболее близкой работой является способ, взятый за прототип [Термическое окисление GaAs под воздействием композиций SbO, BiO, MnO, MnO и VO с оксидами алюминия и иттрия / Т.В. Кожевникова, П.К. Пенской, В.Ф. Кострюков, И.Я. Миттова, Б.Л. Агапов, И.В. Кузнецова, С.В. Куцев // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2010. - Т. 12, №3. - С. 212-225], согласно которому на предварительно обработанной концентрированной плавиковой кислотой (49%) и промытой дистиллированной водой поверхности GaAs (111) в процессе термического оксидирования под воздействием композиций оксидов (AlO+MnO) и (YO+MnO), вводимых в систему через газовую фазу, формировали пленки с толщиной в диапазоне от 40 до 200 нм. Установлено, что добавление инертного компонента AlO к MnO ослабляет эффективность воздействия последнего на процесс роста пленок за счет интенсификации превращений в малоактивный по отношению к оксидированию GaAs оксид MnO. Еще одним недостатком предложенного способа является использование композиции оксидов, вводимых непосредственно в процессе оксидирования (постоянное расходование хемостимулятора), что технологически усложняет процесс. Введение хемостимулятора через газовую фазу в процессе оксидирования AB, как правило, приводит к формированию полупроводниковых пленок с газочувствительными свойствами.
2
Задача данного изобретения заключается в разработке технически просто реализуемого способа создания на поверхности GaAs диэлектрических наноструктурированных пленок с использованием наноразмерного слоя хемостимулятора MnO.
10
6
Технический результат настоящего изобретения заключается в формировании наноразмерных структурированных диэлектрических пленок на поверхности GaAs со средним перепадом высот рельефа не более 25 нм, толщиной в пределах от 75 до 200 нм, удельным сопротивлением ~10 Ом*см и диэлектрической прочностью ~7×10 В/см, экономичным и экспрессным способом.
2
2
Ar
-3
Технический результат достигается тем, что в способе создания наноразмерных диэлектрических пленок на поверхности GaAs с использованием магнетронно сформированного слоя диоксида марганца, включающем предварительную обработку пластин GaAs концентрированной плавиковой кислотой, промывание их дистиллированной водой, высушивание на воздухе, формирование слоя MnO толщиной 30±1 нм, последующее термооксидирование при температуре от 450 до 550°С в течение 60 мин при скорости потока кислорода 30 л/ч, согласно изобретению, формирование слоя MnO производят методом магнетронного распыления мишени в аргоновой атмосфере p ~ 10 Торр.
На фиг. 1 приведена таблица 1 полученных значений качественных показателей синтезированных пленок в зависимости от температуры термического оксидирования.
2
2
На фиг. 2 представлено АСМ-изображение поверхности GaAs с магнетронно нанесенным MnO после термооксидирования при 500°С, область сканирования 5×5 мкм.
2
2
На фиг. 3 в таблице 2 приведены параметры, описывающие шероховатость синтезированных пленок в процессе термооксидирования гетероструктур MnO/GaAs по результатам обработки АСМ-изображения размером 5×5 мкм.
2
2
На фиг. 4 представлено АСМ-изображение поверхности GaAs с магнетронно нанесенным MnO после термооксидирования при 530°С, область сканирования 5×5 мкм
Способ реализуется следующим образом.
Пример 1.
Перед началом процесса магнетронного распыления поверхность полированных пластин GaAs обрабатывали концентрированной плавиковой кислотой (ω(HF)=49%) в течение 10 минут, после чего пластины промывались в дистиллированной воде и высушивались на воздухе. Обработка проводилась для удаления естественного оксидного слоя на поверхности и разного рода загрязнений.
2
ост
Ar
-6
-3
Напыление слоя хемостимулятора MnO на поверхность GaAs толщиной равной 30±1 нм осуществляли методом магнетронного распыления мишени, спрессованной из порошка диоксида марганца (чистота 99,8%; диаметр 50 мм), в аргоновой атмосфере (р ~ 10 Торр; p ~ 10 Торр; скорость вращения держателя подложки 30 об./мин.).
2
Термическое оксидирование гетероструктур MnO/GaAs проводили в горизонтальном кварцевом реакторе диаметром 30 мм печи МТП-2М-50-500, предварительно разогретом до рабочей температуры равной 500°С. Постоянство температуры в реакторе обеспечивалось измерителем и регулятором ТРМ-10 (±1°С). Скорость потока кислорода составляла 30 л/ч.
2
2
2
10
6
На фиг. 2 представлено АСМ-изображение поверхности GaAs с магнетронно нанесенным MnO после термооксидирования. На фиг. 3 приведены параметры, описывающие шероховатость синтезированных пленок в процессе термооксидирования гетероструктур MnO/GaAs по результатам обработки АСМ-изображения размером 5×5 мкм. Электрофизические характеристики представлены на фиг. 1. Сформированные пленки характеризуются удельным сопротивлением 1×10 Ом*см и диэлектрической прочностью 6,2×10 В/см.
Как следует из полученных результатов, сформированные пленки являются диэлектрическими с зеренной структурой и со средним перепадом высот рельефа равным 25 нм.
2
2
2
2
2
10
6
Пример 2. Способом, описанным в примере 1, получали диэлектрические пленки MnO на поверхности GaAs, увеличив температуру оксидирования до 530°С На фиг. 4 представлено АСМ-изображение поверхности GaAs с магнетронно нанесенным MnO после термооксидирования, область сканирования 5×5 мкм. На фиг. 3 приведены параметры, описывающие шероховатость синтезированных пленок в процессе термооксидирования гетероструктур MnO/GaAs по результатам обработки АСМ-изображения размером 5×5 мкм. Электрофизические характеристики представлены на фиг. 1. Сформированные пленки характеризуются удельным сопротивлением 0,8×10 Ом*см и диэлектрической прочностью 7,6×10 В/см.
Как следует из полученных результатов, сформированные пленки являются диэлектрическими с зеренной структурой и со средним перепадом высот рельефа равным 2 нм.