Формирование многослойных структур AlGaN/GaN методом хлорид-гидридной газофазной эпитаксии

УДК 548.522

Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2004, вып. 4

А. В. Фомин, Г. А. Онушкин, В. Е. Дрозд

ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР AlGaN/GaN МЕТОДОМ ХЛОРИД-ГИДРИДНОЙ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ

Введение. Синтез гетероструктур AlGaN/GaN успешно реализован в методе эпитаксии из металлорганической газовой фазы (МОГФЭ) [1]. Недавно было показано, , что метод хлорид-гидридной газофазной эпитаксии (ХГФЭ) также пригоден для осаждения гетероструктур [2]. В данной работе рассматриваются особенности газофазных процессов при формировании твердых растворов AlGaN методом ХГФЭ. Обсуждаются свойства многослойных гетероструктур, синтезированных методом ХГФЭ.

Методика эксперимента. Структуры AhOa/tt-GaN/n-GaNiSi/n-AlGaN/p—GaN.Mg и эпитаксиальные слои твердых растворов AlGaN были сформированы методом ХГФЭ. Подробное описание методики эпитаксиального осаждения приведено в [3]. Поверхность сапфировых подложек подвергалась предварительной обработке аммиаком при температуре 1020° С (азотирование). Для изменения состава твердых растворов изменялось соотношение парциальных давлений Р АЮз/Р GaCl в газовой фазе. Активация акцепторов в слоях GaN:Mg осуществлялась при отжиге в токе Ar при температуре 850 °С в течение 10 мин.

Результаты и их обсуждение. Из данных таблицы видно, что свойства эпитаксиаль-ных слоев AlGaN сильно зависели от времени азотирования подложки. Изменение времени азотирования влияет на степень заполнения поверхности сапфировой подложки буферным аморфным слоем Al^Oi-xN [4].

Влияние времени азотирования подложки на свойства слоев ALcGai_xN

Время азотирования, мин Толщина слоя, „ мкм Состав слоя Плотность трещин, см-2 Полуширина дифр. максимума, угл. с

3 3 Al0,i7Ga0,83N 150 1040

10 3,8 Alo, 15 Gao,85 N 30 1380

30 • 4,3 Alo,i2Ga o,88N 0 943

На рис. 1, а представлена зависимость концентрации A1N в твердой фазе AlxGai_xN от Р А1С1з в хлоридной газовой фазе. Наблюдаемое насыщение по вхождению A1N в твердую фазу с ростом Р А1СЦ хорошо коррелирует с зависимостью состава твердых растворов от соотношений потоков триметилалюминия (ТМА) и триметилгаллия (ТМГ) в методе МОГФЭ (рис. 1, б) [5].

Сходство этих зависимостей обусловлено протеканием побочных газофазных реакций ком-плексообразования. Для металлорганической газовой фазы предложен следующий механизм [6]:

А1(СНз)з+ NH3 [(СНз)2 AINHs].

В зависимости от распределения температуры вдоль реактора продукты реакции либо претерпевают многостадийный пиролиз с образованием A1N, либо выводятся из зоны роста током газа-носителя. В хлорид-гидридной системе при низких температурах смешивания реагентов возможно появление комплексов А1С1з • п NH3 с дальнейшим их распадом до A1N:

А1С13 • п NH3 AIN + HCl. Эта реакция может "быть лимитирована кинетически. Оптимизация температурного распределения вдоль реактора и скорость потока алюмосодержащих радикалов являются основными способами контроля процессов в газовой фазе при синтезе AlGaN.

© А. В Фомин, Г. А. Онушкин, В. Е. Дрозд, 2004

Мольная доля AIN 0,3

ОД 0,1

0

Мольная доля A1N

2 3

Р А1С13, мбар

0 0,05 0,1 0,15 ОД 0,25 Отношение потоков ТМА / ТМГ

Рис. 1. Зависимость содержания A1N в слоях AlGaN от Р А1С1з в хлоридной газовой фазе (о) и отношения потоков ТМА/ТМГ в методе МОГФЭ (б).

и-AlGaN

/>~GaN:Mg

Рис. 2. Поперечный скол гетероструктуры с

"-Alo,2iGao,79N-

Отн. интенсивность, % 60

800 1200 Рис- Оже-профиль распределения AI в гете-

Толщина, нм роструктуре с n-Alo,2iGao,79N.

Методом ХГФЭ получены многослойные гетероструктуры с р-п-переходом n-AlGaN/p-GaN. Предложенная методика синтеза позволила формировать резкие (менее 50 нм) гетерограницы между слоями разного состава (рис. 2, 3). В нелегированном буферном слое u-GaN отчетливо заметны вертикальные границы кристаллических блоков, образующих колончатую структуру слоя. Вблизи подложки наблюдается область эпитаксиального слоя с высокой плотностью дефектов, обусловленных рассогласованием параметров кристаллических решеток (см. рис. 2).

Спектры электролюминесценции исследованных структур имели максимум интенсивности в диапазоне 450-550 нм и очень большую полуширину (70-140 нм), что подтверждает дефектную природу излучательной рекомбинации. Максимум интенсивности электролюминесценции смещается с увеличением тока в коротковолновый диапазон спектра, что свидетельствует о насыщении глубоких рекомбинационных центров и начале рекомбинации через более высокие уровни.

Заключение. Полученные результаты демонстрируют пригодность метода ХГФЭ к эпи-таксии кристаллически совершенных слоев твердых растворов AlxGai-^N на сапфировых подложках и формированию светоизлучающих структур в системе AlGaN/GaN.

Summary

Fomin А. V., Onushkin G.A., Drozd V.E. AlGaN/GaN heterostructures formation by hydride _ vapor phase epitaxy.

8 AlGaN layers and AGaN/GaN heterostructures were deposited on sapphire by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Their structural and optical properties were investigated using EL, X-ray diffraction, SEM and Auger-spectroscopy.

Литература

1. Han J., Crawford M. H., Shul R. J. et at.// Appl. Phys. Lett. 1998. Vol. 73. P. 1688-1690.

2. Tsvetkov D., Melnik Yu., Davydov A. et al. // Phys. Stat. Sol. (a). 2001. Vol. 188. P. 429-432.

3. Melnik Yu. V., Nikolaev A. E., Stepanov S. I. et al.// Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998. Vol. 482. P. 245-249. 4. Uchida K., Watanabe A., Yano F. et al.// J. Appl. Phys. 1996. Vol. 79. P. 3487-3491. 5. Лундип В. В. Эпитаксиальные слои GaN и многослойные гетероструктуры GaN/AlGaN. Разработка технологии выращивания и исследование свойств: Канд. дис. СПб., 1998. 6. Ambacher О. // Phys. D : Appl. Phys. 1998. Vol. 31. P. 2653-2708.

Статья поступила в редакцию 10 апреля 2004 г.

>