ИЗУЧЕНИЕ НИТРИДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

ИЗУЧЕНИЕ НИТРИДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

© Гурьева П.В.1, Конов К.И.2, Боловин А.А.1, Орлова М.О.2

Московский институт электроники и математики Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики, г. Москва

Гетероструктуры на основе нитридов галлия, алюминия и их твердых растворов являются весьма перспективными материалами для различных областей науки и техники. Благодаря большой ширине запрещенной зоне уже сегодня многие функциональные элементы, изготовленные на базе нитридов металлов третьей группы, превосходят по своим рабочим характеристикам приборы на основе кремния. В этой связи изучение кристаллического качества и морфологии рельефа гетерогра-ниц с целью повышения электрофизических характеристик нитридных гетероструктур является весьма актуальной задачей.

Ключевые слова нитридные гетероструктуры, нитрид алюминия, атомно-силовая микроскопия, морфология рельефа.

Свойства нитридных гетероструктур

Нитриды третьей группы служат основой для светодиодной техники, фотоприемников, твердотельных лазеров, сверхмощных высокотемпературных сверхвысокочастотных транзисторов, мощных силовых приборов и т.д. Изготовление нитридных тонкопленочных покрытий осложнено отсутствием коммерчески доступных подложек нитрида алюминия (AIN) и нитрида галлия (GaN). В связи с этим эпитаксию нитридов проводят на инородные подложки, такие как карбид кремния (SiC), кремний (Si) и синтетический сапфир (А120з), что является причиной высокой дефектности выращиваемых нитридных слоев алюминия и галлия вследствие высокого рассогласования параметров решеток. Кроме того при выборе подложки необходимо также учитывать разницу в коэффициентах термического расширения во избежание разрушения пленочного покрытия в результате постростового охлаждения. А для дальнейших применений выращенных нитридных структур в качестве рабочих элементов устройств необходимо чтобы подложка удовлетворяла ряду требований, таких как низкая электропроводность, высокая теплопроводность, твердость.

Карбид кремния в качестве подложки для эпитаксии нитридных гетеро-структур является весьма перспективным материалом по следующим при-

1 Бакалавр.

2 Студент.

чинам: во-первых, у 8Ю наименьшее рассогласование параметров решетки с нитридом галлия (~3.5 %), вследствие чего напряжения в растущей нит-ридной пленке малы, что приводит к малому количеству дефектов при росте пленочных покрытий. Во-вторых, 8Ю обладает высокой по сравнению с подложками кремния и сапфира теплопроводностью (3.8 Вт/см-К), которая обеспечивает отвод тепла от пленочной структуры во время работы. Но поверхность карбида кремния обладает плохой смачиваемостью с нитридом галлия, из-за чего осложняется процесс эпитаксии [6-8]. Основным же препятствием использования карбида кремния является его дороговизна по сравнению с кремниевыми и сапфировыми подложками.

Использование кремния в качестве подложки для эпитаксии нитридных пленок является экономически выгодным. Однако из-за большого рассогласования постоянной решетки (~17 %) и коэффициента термического расширения, пленки нитрида галлия сильно деформируются из-за сильных растягивающих напряжений, что приводит к короблению и растрескиванию выращиваемых пленок. Кроме того при росте нитридных пленок на поверхности кремния образуется аморфный слой Б1КХ вследствие чего невозможно вырастить качественные монокристаллические нитридные пленки [7, 8].

Вышеперечисленные недостатки использования пластин карбида кремния и кремния в качестве подложек для роста нитридных структур способствуют широкому применению подложек из синтетического сапфира. Сапфировые подложки характеризуются меньшим по сравнению с кремнием рассогласованием постоянной решетки (~13.5 %) и коэффициентом термического расширения (перпендикулярно оси с) относительно пленок ва^ что способствует росту более качественных нитридных тонкопленочных структур [9]. Кроме того высокие диэлектрические свойства обуславливают широкое применение изолирующих сапфировых подложек в опто- и микроэлектронике [10, 11].

АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Гетероструктуры на основе нитридов алюминия, галлия и их твердых растворов в качестве рабочих элементов для различных технологических применений получили широкое распространение. Однако максимально возможные рабочие характеристики таких структур еще не достигнуты. Это связано с высокой дефектностью гетероэпитаксиальных слоев в связи с тем, что их рост осуществляется в основном на подложки кремния, карбида кремния и сапфира. Известно, что дефекты кристаллической структуры образуются на начальных этапах роста пленочных покрытий и являются центрами безызлучатель-ной рекомбинации, центрами рассеяния заряда, а сквозные дислокации являются каналами утечек тока, что негативно сказывается на рабочих характеристиках приборов, изготовленных на основе нитридов алюминия и галлия [2, 3]. Кроме того на электрофизические характеристики нитридных гетероструктур

154 ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

оказывает влияние качество межфазных границ - отсутствие градиента по составу и минимально развитый рельеф. Так высокая шероховатость рельефа поверхности одного из гетерослоев ухудшает качество роста последующего слоя, а на границе образования двумерного электронного газа является дополнительным источником рассеяния носителей заряда. Таким образом, одной из задач, которую необходимо решить для повышения электрических характеристик устройств на основе нитридов металлов третьей группы, является снижение шероховатости поверхности каждого из гетерослоев.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) в настоящее время является широко используемым методом в исследованиях поверхности твердого тела. Данный метод позволяет локально изучать различные физические свойства поверхностей, а так же имеет возможность их модификации. В отличие от своего предшественника, сканирующего туннельного микроскопа, АСМ позволяет изучать топографию поверхности не только проводящих, но и диэлектрических материалов. Кроме того АСМ позволяет оценивать кристаллическое качество слоев по количеству углублений на их поверхности, так как их образование связано с выходом сквозных дислокаций.

Результаты измерений

Ранее было отмечено, что «родные» подложки нитридов алюминия и галлия являются дорогостоящими, поэтому рост осуществляется на подложках кремния, карбида кремния и сапфира, что приводит к большому числу различных дефектов в растущих пленках нитридов металлов третьей группы из-за рассогласований их параметров решеток. Зарождение дефектов происходит в основном на начальных этапах роста эпитаксиальных пленочных покрытий. Поэтому изучение влияния различных режимов роста на структуру начальных буферных слоев нитрида алюминия весьма актуально.

В настоящей работе методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитак-сии на сапфировых подложках (0001) были выращены две серии высокотемпературных слоев нитрида алюминия толщиной 300 нм. При формировании тонкопленочных покрытий AlN первой группы поток аммиака составлял 60 sccm (standard cubic centimeter per minute - стандартных кубических сантиметров в минуту), а второй - 200 sccm.

На поверхностях всех выращенных пленочных покрытиях наблюдались островковые образования. Серия образцов при потоке аммиака 60 sccm имеет на порядок больше островков, а в случае пленки с параметрами роста 1100 °С и потоке аммиака 60 sccm на три порядка, чем серия пленочных покрытий, сформированных при потоках аммиака 200 sccm. Таким образом, повышение потока аммиака позволило существенно уменьшить 3D рост в группе образцов с потоком аммиака 200 sccm.

Далее для серии буферных слоев, выращенных в потоках аммиака 200 sccm и температурах подложек 1020 °С, 1050 °С и 1100 °С, для опреде-

ления фоновой шероховатости были рассчитаны значения среднеквадратичного отклонения высоты без учета островковых образований по областям сканирования 1 х 1 мкм. Для образца выращенного при температуре подложки 1020 °С среднеквадратичное отклонение высоты составило 2.7 А (рис. 1), при 1050 °С - 5.0 А, при 1100 °С - 6.9 А. Таким образом, изменение температуры подложки во время ростового процесса позволило снизить как количество островков, так и поверхностную шероховатость буферных слоев.

Количество пор, соответствующее выходам дислокаций, с изменением температуры подложки не изменялось и составляло порядка 1010 см-2. Это означает, что изменение температуры не позволило уменьшить количество дислокаций в растущих пленках, а значит и улучшить их кристаллическое качество. Данный результат подтверждают и исследования структуры методом рентгеновской рефлектометрии, которые так же показали, что усовершенствования кристаллической структуры не происходило.

а)

б)

Рис. 1. АСМ изображения поверхности буферного слоя

нитрида алюминия, выращенного при 1020 °С и потоке аммиака 200 sccm, 1*1 мкм

Таким образом в результате изучения буферных слоев нитрида алюминия, выращенных при различных температурах подложки и потоках аммиака, удалось установить их оптимальные значения (Тпод = 1020 °С, а поток аммиака 200 sccm), при которых удалось снизить поверхностную шероховатость до среднеквадратичного отклонения высоты 2,7А, однако улучшить кристаллическое качество пленочного покрытия так и не удалось.

Список литературы:

1. Jain S.C., M. Willander, J. Narayan et al. // Journal of Applied Physics. -2000. - 87. - P. 965-1005.

156 ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

2. Kukushkin S.A., A.V Osipov, VN. Bessolov et al. // Reviews on advanced materials science. - 2008 - 17 - P. 1-32.

3. Liu L., J.H. Edgar// Materials Science and Engineering. - 2002. - R37. -P. 61-127.

4. Ishikawa H., Yamamoto K., Egawa T., et al. // Journal of Crystal Growth. -1998. - 178. - P. 189-190.

5. Кейпис Р. // Электроника. - 1980. - 58. - С. 57.

6. iXBT.com.

7. Шуберт Ф., Светодиоды. М.: Физматлит, 2008. - 496 с.

8. J.W.P. Hsu, M.J. Manfra, R.J. Molnar et al. // Applied Physics Letters. -2002. - 81. - P. 79-81.

ОБ АВТОМОРФИЗМАХ СИЛЬНО РЕГУЛЯРНОГО ГРАФА С ПАРАМЕТРАМИ

© Носов В.В.1

Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

Пусть О - группа автоморфизмов гипотетического сильно регулярного графа с параметрами (1276, 50, 0, 2). Найдены возможные порядки и определено строение подграфов неподвижных точек элементов простых порядков из О.

Ключевые слова: сильно регулярный граф, автоморфизмы простых порядков сильно регулярного графа, подграфы неподвижных точек.

1. Введение

Мы рассматриваем неориентированные графы без петель и кратных ребер. Если а, Ь - вершины графа Г, то через ё(а, Ь) обозначается расстояние между а и Ь, а через Г,(а) - подграф графа Г, индуцированный множеством вершин, которые находятся на расстоянии / в Г от вершины а. Подграф П(а) называется окрестностью вершины а и обозначается через [а]. Граф Г называется регулярным графом степени ^ если [а] содержит точно к вершин для любой вершины а из Г. Граф Г называется реберно регулярным графом с параметрами (V, к, X), если Г содержит V вершин, является регулярным степени к, и каждое ребро из Г лежит в X треугольниках. Граф Г называется вполне регулярным графом с параметрами (V, к, X, д), если Г реберно регулярен с соответствующими параметрами и подграф [а] п [Ь] содержит д вершин в случае й(а, Ь) = 2. Вполне регулярный граф диаметра 2 называется

1 Доцент кафедры Алгебры и дискретной математики, кандидат физико-математических наук, доцент.