СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОГО НАНОСЛОЯ INAS НА ПОДЛОЖКЕ САПФИРА ДЛЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ СЕНСОРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
METHOD FOR FORMING POLYCRYSTALLINE HIGHLY DOPED INAS NANOLAYER ON SAPPHIRE SUBSTRATE FOR RADIATION-RESISTANT MAGNETIC FIELD SENSORS

III
V
Изобретение относится к полупроводниковым наногетероструктурам AB, используемым для изготовления радиационно стойких сенсоров магнитного поля.
18
19
-2
+
21
2
Современным термоядерным реакторам присущи большие радиационные (нейтроны, гамма-кванты) и тепловые нагрузки внутри конструкции (120-150°С), которые приводят к деградации характеристик функциональных материалов, используемых в диагностических системах. Поэтому в качестве сенсоров магнитной диагностики преимущественно применяются металлические катушки индуктивности, имеющих относительно высокую устойчивость к радиационным и тепловым нагрузкам. Основной недостаток заключается в том, что выходной сигнал катушек является пропорциональным не магнитной индукции В, а скорости ее изменения ∂B/∂t [1]. Следовательно, катушки требуют интегрирования сигнала во времени. Это приводит к накоплению ошибок, обусловленных рядом радиационно-стимулированных эффектов [2]. Однако реакторы типа DEMO планируется использовать преимущественно в стационарном режиме, когда продолжительность квазистационарных импульсов поля будет достигать сотен часов [3]. Для работы в этих условиях более пригодны сенсоры на эффекте Холла, которые способны с высокой точностью непосредственно измерять В как в случае быстропеременных, так и в случае квазистационарных магнитных полей, поскольку чувствительность сенсора обратно пропорциональна концентрации объемной носителей тока в активной области сенсора и толщине активного токопроводящего слоя. Поэтому, обладая чрезвычайно высокой радиационной стойкостью, поликристаллические металлические нанослои не удовлетворяют необходимой чувствительности сенсоров для их успешного применения. С другой стороны, объемные полупроводниковые материалы и нанослои, выращенные на полупроводниковых подложках, быстро деградируют под действием нейтронных флюенсов выше 10÷10 см. Материалы на основе сильно легированного nInAs, выращенного на подложках GaAs как с помощью толстого согласующего метаморфного буфера, так и с тонкими переходными слоями, продемонстрировали достаточно хорошие перспективы как по уровню радиационной стойкости, так и по температурной стабильности [4]. В различных системах контроля магнитного поля прецизионные датчики магнитного поля должны обладать хорошей линейностью в широком диапазоне магнитного поля (1÷8 Тл), малым дрейфом чувствительности и сопротивлением в широком диапазоне температур - от криогенных до высоких (4.2÷600 К). Радиационно стойкие полупроводниковые сенсоры магнитного поля должны сохранять свою работоспособность в условиях «высокого» флюенса нейтронов (до Ф>10 н/см), который будет накоплен за время работы термоядерного реактора (~20 лет) [5].
18
-2
Диэлектрические подложки используются для создания электронной компонентной базы, в том числе, кремний на изоляторе и кремний на сапфире (КНИ, англ.: SOI), для целей увеличения контроля заряда в приповерхностном слое и недопущения растекания тока в буфер и подложку. Известно, что SOI технологии являются одними из наиболее радиационно стойких. Причина заключается в том, что диэлектрическая подложка является то-коблокирующей, и структура дефектов, наведенная проводимость, встроенные поля, возникающие при облучении, слабо влияют на электронные транспортные свойства в вышележащем тонком слое полупроводника. По InAs/GaAs гетероструктурам было показано, что трансмутационные превращения в подложке GaAs и толстом буфере InAlAs переменного состава дают дрейф параметров чувствительности при достаточно большом накопленном флюенсе нейтронов, предположительно из-за трансмутационного легирования. Идея перехода на технологию InAs/сапфир сходна с принципами SOI, однако, имеет дальнейшие преимущества. Поскольку рост InAs/сапфир может предположительно осуществляться как в аморфной, так и поликристаллической фазах, по аналогии с известными работами по ростам GaAs/сапфир, то управление дефектностью, проводимостью и концентрацией электронов в слое InAs является ключевой задачей для создания новых материалов для радиационно стойких сенсоров магнитного поля. Монокристаллические высококачественные структуры InAs/GaAs демонстрируют значительную деградацию подвижности и проводимости в области флюенсов до 10 см. С другой стороны, поликристаллические нанослои имеют исходно гораздо большую плотность структурных дефектов и меньшие значения подвижности электронов, поэтому, дефектообразование в процессе нейтронного облучения должно менее сказываться на параметрах таких материалов.
Известен способ создания гетероструктуры GaAs/InGaAs с квантовой ямой на подложке сапфира [6], основанный на использовании затравочного буферного слоя из AlAs толщиной 5 нм и двухступенчатого роста GaAs при различных температурах. Сперва, при пониженной температуре формировался эпитаксиальный слой GaAs толщиной 100 нм, в котором происходила основная структурная релаксация, а затем слой GaAs активной области выращивался при повышенной температуре 700°С. Несмотря на то, что полученные гетероструктуры обладали отличным оптическим качеством согласно данным фотолюминесценции, для реализации требуется значительное усложнение процесса эпитаксиального роста, требующее создания сложной конструкции переходных слоев гетероструктуры, полученных в широком диапазоне температур от 300°С до 700°С.
Также известен способ [7], в котором исследован начальный этап эпитаксиального роста GaAs на сапфире и показано, что механизм формирования GaAs является островковым. В толстых слоях GaAs наблюдается значительное количество (до 50%) дефектов двойникования. Однако использование тонкого слоя AlAs в роли переходного буфера между подложкой и слоем GaAs позволяет существенно понизить концентрацию дефектов, за счет смачивания подложки сапфира, в отличие от слоев GaAs.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования слоев InAs на сапфировой подложке (001), включающий в себя рост слоя арсенида индия толщиной (130÷210)±10 нм, полученного в диапазоне температур подложки 320÷380°С непосредственно на сапфире [8]. Способ основан на эффузии адатомов индия и молекулярного мышьяка из ячеек Кнудсена в процессе эпитаксиального роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
2
3
К недостаткам способа относится низкое кристаллическое качество слоев InAs и высокая шероховатость поверхности, вследствие сильного рассогласования параметров решетки (AlO(001)/InAs=0,26) растущего слоя InAs и подложки сапфира, а также высокое удельное сопротивление образца, ввиду отсутствия примесного легирования.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на получение поликристаллических высоколегированных нанослоев InAs высокого кристаллического качества на сапфировой подложке с низкой шероховатостью поверхности и низким удельным сопротивлением, пригодных для создания радиационно стойких сенсоров магнитного поля.
d
19
-3
Технический результат достигается тем, что создание легированной гетероструктуры InAs на сапфире для радиационно стойких сенсоров магнитного поля, включает в себя эпитаксиальный рост нижнего зародышевого слоя InAlAs толщиной 1÷5 нм с последующим отжигом в потоке мышьяка в течение 1÷5 мин, затем выращивается верхний зародышевый слой InAs, толщиной 1÷3 нм с последующим отжигом в потоке мышьяка в течение 8÷12 минут, после чего выращивается контактный слой InAs с добавлением легирующей примеси доноров кремния с концентрацией N(Si)=(1÷8)⋅10 см, толщиной 50÷300 нм, при температуре роста 400÷480°С.
Технический результат реализован за счет использования комбинированного подхода, включающего в себя использование зародышевых слоев для предотвращения аморфизации поверхности и улучшения кристаллического качества гетероструктуры и применение примесного легирования с высокой концентрацией доноров для снижения удельного сопротивления нано-слоя InAs. Создание нижнего зародышевого слоя InAlAs толщиной 1÷5 нм, расположенного непосредственно на подложке сапфира, необходимо для смачивания поверхности сапфира и предотвращения аморфизации поверхности в процессе проведения эпитаксиального роста вышележащих слоев. Следующий за нижним зародышевым слоем отжиг слоя InAs в потоке мышьяка в течение 1÷5 мин позволяет сгладить поверхность нанослоя, уменьшив шероховатость поверхности гетероструктуры. Толщина нижнего зародышевого слоя определяется с одной стороны необходимостью восстановления поверхности подложки сапфира и предотвращением ее аморфизации после обязательного предварительного обезгаживания, а с другой стороны - предотвращением механической релаксации перед формированием верхнего зародышевого слоя. Формирование верхнего зародышевого слоя InAs толщиной 1÷3 нм с последующим отжигом в потоке мышьяка в течение 8÷12 минут приводит к релаксации механических напряжений в слое, в результате чего дислокации несоответствия оказываются в нижележащих слоях гетероструктуры и в меньшей степени проникают в высоколегированный слой InAs, что позволяет получать слои InAs с низким удельным сопротивлением более высокого кристаллического качества. Наличие переходного слоя толщиной 1÷3 нм необходимо, чтобы избежать проводимости по вспомогательным слоям под действием нейтронного облучения, в том числе при процессах трансмутационного легирования, что может приводить к изменению чувствительности и удельного сопротивления сенсора магнитного поля.
Сформированный далее при пониженной температуре роста 400÷480°С высоколегированный эпитаксиальный слой арсенида индия толщиной 50÷300 нм служит для формирования активной области с низким удельным сопротивлением при создании радиационно стойких сенсоров магнитного поля. Толщина нанослоя InAs при этом определяется требованиями к топологии, чувствительности и стабильности сенсоров магнитного поля, изготовленных на основе применения настоящего способа. Общая слоевая структура с основными параметрами изобретения приведена на фиг. 1.
2
3
d
+
19
-3
Ниже приведен пример конкретной реализации способа: на монокристаллическую подложку сапфира α-AlO с c-ориентацией поверхности и односторонней полировкой лицевой стороны диметром 2 дюйма наносился нижний зародышевый слой InAlAs толщиной 1,65 нм, после чего производился отжиг в потоке мышьяка при 650°С в течение 3 минут. Далее эпитак-сиально выращивался верхний зародышевый слой InAs с последующим прерыванием роста на 8 минут для сглаживания поверхности, понижения и стабилизации температуры подложки при 430°С, после чего формировался легированный слой n-InAs толщиной 100 нм с объемной концентрацией доноров кремния N(Si)=3⋅10 см.
Изображение, приведенное на фиг. 2, демонстрирует полученные при помощи метода рентгеновской дифрактометрии кривые качания пика отражения InAs (111) (ω-скан) для прототипа (нелегированный InAs) и настоящего изобретения (легированный InAs), полуширина которых характеризует кристаллическое качество полученных слоев InAs: чем выше полуширина, тем из большего числа зерен состоит поликристалл и тем сильнее различается ориентация этих зерен. Ширина кривой качания на половине высоты для прототипа нелегированного InAs составляет 2.02°, в то время как для высоколегированного InAs - 1.14°, следовательно, использование затравочного буферного слоя InAlAs позволяет существенно повысить структурное совершенство слоя InAs. На фиг. 3 приведены результаты сравнения удельной проводимости ρ и среднеквадратичной шероховатости (RMS) поверхности для прототипа и гетероструктуры настоящего изобретения, измеренные методами Ван-дер Пау и атомно-силовой микроскопии, соответственно. Видно, что использование настоящего способа позволяет уменьшить шероховатость поверхности более чем в 2 раза и увеличить удельную проводимость InAs-слоя в 14.9 раз.
Таким образом, предложенный способ позволяет получать поликристаллические слои InAs на сапфире с низкой шероховатостью, более высоким кристаллическим качеством и высокой проводимостью.
Список использованных источников.
1. I. Bolshakova, I. Vasilevskii, L. Viererbl, I. Ďuran, N. Kovalyova, K. Kovarik, Y. Kost, O. Makido, J. Sentkerestiova, A. Shtabalyuk and F. Shurygin. Prospects of Using In-Containing Semiconductor Materials in Magnetic Field Sensors for Thermonuclear Reactor Magnetic Diagnostics, IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(1) p. 50-53.
2. И.А. Большакова, C.A. Куликов, Р.Ф. Коноплева, B.A. Чеканов, И.С. Васильевский, Ф.М. Шурыгин, Е.Ю. Макидо, I. Duran, А.П. Мороз, А.П. Штаба-люк. Использование реакторных нейтронов для исследования радиационной стойкости полупроводниковых материалов группы III-V и сенсоров, Физика твердого тела, 2014, 56(1), стр. 156-159.
3. I. Bolshakova, Y. Makido, F. Shurygin, R. Stetsko, I. Vasilevskii, N. Kargin, M. Strikhanov. Ways of improving radiation resistance of magnetic sensors for charged particle accelerators, Functional Materials, 2013, 20(3), p. 397-401.
4. I.S. Vasil'evskii, A.N. Vinichenko, D.I. Rubakin, LA. Bolshakova, N.I. Kargin. High accuracy magnetic field sensors with wide operation temperature range, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2016, 151, 012029.
5. I. Bolshakova, S. Belyaev, M. Bulavin, V. Brudnyi, V. Chekanov, V. Coccorese, I. Duran, S. Gerasimov, R. Holyaka, N. Kargin, R. Konopleva, Ya. Kost, T. Kuech, S. Kulikov, O. Makido, Ph. Moreau, A. Murari, A. Quercia, F. Shurygin, M. Strikhanov, S. Timoshyn, I. Vasil'evskii, A. Vinichenko. Experimental evaluation of stable long term operation of semiconductor magnetic sensors at ITER relevant environment, Nuclear fusion, 2015, 55(8), 083006.
6. R. Kumar, S.K. Saha, A. Kuchuk, Y. Maidaniuk, F.M. de Oliveira, Q. Yan, M. Benamara, Y.I. Mazur, S.-Q. Yu, G.J. Salamo. GaAs layer on c-plane sapphire for light emitting sources, Applied Surface Science, 2021, 542, 148554. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148554.
7. S.K. Saha, R. Kumar, A. Kuchuk, M.Z. Alavijeh, Y. Maidaniuk, Y.I. Mazur, S.-Q. Yu, G.J. Salamo. Crystalline GaAs Thin Film Growth on a c-Plane Sapphire Substrate, Crystal Growth & Design, 2019, 19, p.5088-5096. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b00448.
8. A. Agrawal, Y. Tchoe. Scaling study of molecular beam epitaxy grown InAs/Al2O3 films using atomic force microscopy, Thin Solid Films, 2020, 709, 138204. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.138204.