НОВЫЙ МЕТОД РЕЛАКСАЦИИ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ РОСТЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК
- Авторы: Корякин А.А.1, Кукушкин С.А.2, Осипов А.В.1, Шарофидинов Ш.Ш.3, Щеглов М.П.3
-
Учреждения:
- Санкт-Петербургский государственный университет
- Институт проблем машиноведения Российской академии наук
- Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
- Выпуск: № 3 (2023)
- Страницы: 58-72
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/1026-3519/article/view/137520
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0572329922600785
- EDN: https://elibrary.ru/FTEPIC
- ID: 137520
Цитировать
Аннотация
В работе на примере роста нитрида алюминия (AlN) на кремнии (Si) ориентации (110) с буферным слоем карбида кремния (SiC) разработан метод выращивания нового типа подложек, позволяющий получать механически ненапряженные полупроводниковые гетероструктуры. Особенность синтеза данного рода подложек заключается в том, что используемые для роста пленок AlN слои SiC синтезированы методом согласованного замещения атомов. При использовании данного метода роста в подложке Si происходит замещение части атомов Si на атомы углерода. В результате замещения атомов первоначально гладкая поверхность Si(110) превращается в поверхность SiC, покрытую призмоподобными фигурами роста, одна из сторон которых является гранью (111), а другая гранью \((11\bar {1})\). Эти грани являются “подложками” для дальнейшего роста полуполярного AlN. Структура и морфология пленок AlN исследована методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и методом рамановской спектроскопии. Обнаружено, что слой AlN образован сросшимися гексагональными микрокристаллами, рост которых происходит в двух направлениях, причем для обоих ориентаций кристаллов приближенно выполняется следующее соотношение: AlN\(\left( {10\bar {1}3} \right)\) || Si(110). Показано, что полуширина рентгеновской кривой качания (FWHM) для дифракционного пика \(\left( {10\bar {1}3} \right)\) от микрокристаллов AlN, усредненная по площади образца, составляет 20 угловых минут. Исследования методами рамановской спектроскопии и рентгеновской дифракции показали практически полное отсутствие механических напряжений в слое AlN. Построена теоретическая модель, объясняющая наличие двух ориентаций пленки AlN на SiC/Si(110), обнаруженных в эксперименте, и предложен метод управления их ориентацией. Показано, что данная морфология пленки AlN позволяет использовать ее в качестве буферного слоя для роста гетероструктур на основе нитрида галлия и нитрида алюминия.
Об авторах
А. А. Корякин
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
С. А. Кукушкин
Институт проблем машиноведения Российской академии наук
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
А. В. Осипов
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
Ш. Ш. Шарофидинов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
М. П. Щеглов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
Список литературы
- Kukushkin S.A., Osipov A.V., Bessolov V.N., Medvedev B.K., Nevolin V.K., Tcarik K.A. Substrates for epitaxy of gallium nitride: new materials and techniques // Rev. Adv. Mater. Sci. 2008. V. 17. P. 1–32.
- Barghout K., Chaudhuri J. Calculation of residual thermal stress in GaN epitaxial layers grown on technologically important substrates // J. Mater. Sci. 2004. V. 39. P. 5817–5823. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000040094.33095.6f
- Kukushkin S.A., Osipov A.V. Theory and practice of SiC growth on Si and its applications to wide-gap semiconductor films // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. P. 313001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/31/313001
- Кукушкин С.А., Осипов А.В., Феоктистов Н.А. Синтез эпитаксиальных пленок карбида кремния методом замещения атомов в кристаллической решетке кремния // ФТТ. 2014. Т. 56. С. 1457–1498. https://doi.org/10.1134/S1063783414080137
- Zytkiewicz Z. Laterally overgrown structures as substrates for lattice mismatched epitaxy // Thin Solid Films. 2002. V. 412. P. 64–75. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00315-2
- Bessolov V.N., Karpov D.V., Konenkova E.V., Lipovskii A.A., Osipov A.V., Redkov A.V., Soshnikov I.P., Kukushkin S.A. Pendeo-epitaxy of stress-free AlN layer on a profiled SiC/Si substrate // Thin Solid Films. 2016. V. 606. P. 74–79. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.03.034
- Кукушкин С.А. Эпитаксиальный карбид кремния на кремнии. Метод согласованного замещения атомов (Обзор) // Журнал общей химии. 2022. Т. 92. https://doi.org/10.31857/S0044460X22040023
- Masui H., Nakamura S., DenBaars S.P., Mishra U.K. Nonpolar and Semipolar III-Nitride Light-Emitting Diodes: Achievements and Challenges // IEEE Trans. Electron. Devices. 2010. V. 57. P. 88–100. https://doi.org/10.1109/TED.2009.2033773
- Takeuchi T., Amano H., Akasaki I. Theoretical Study of Orientation Dependence of Piezoelectric Effects in Wurtzite Strained GaInN/GaN Heterostructures and Quantum Wells // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. V. 39. P. 413–416. https://doi.org/10.1143/JJAP.39.413
- Bessolov V.N., Konenkova E.V., Kukushkin S.A., Osipov A.V., Rodin S.N. Semipolar gallium nitride on silicon: technology and properties // Rev. Adv. Mater. Sci. 2014. V. 38. P. 75–93.
- Abe Y., Komiyama J., Isshiki T., Suzuki S., Yoshida A., Ohishi H., Nakanishi H. Semipolar Nitrides Grown on Si(001) Offcut Substrates with 3C-SiC Buffer Layers // Mater. Sci. Forum. 2008. V. 600–603. P. 1281–1284. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.600-603.1281
- Jo M., Hirayama H. Effects of Ga Supply on the Growth of (11-22) AlN on m-Plane (10-10) Sapphire Substrates // PSS (b). 2018. V. 255. P. 1700418. https://doi.org/10.1002/pssb.201700418
- Shen X.-Q., Kojima K., Okumura H. Single-phase high-quality semipolar (10–13) AlN epilayers on m-plane (10–10) sapphire substrates // Appl. Phys. Express. 2020. V. 13. P. 035502. https://doi.org/10.35848/1882-0786/ab7486
- Bessolov V., Kalmykov A., Konenkova E., Kukushkin S., Myasoedov A., Poletaev N., Rodin S. Semipolar AlN and GaN on Si(100): HVPE technology and layer properties // J. Cryst. Growth. 2017. V. 457. P. 202–206. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.05.025
- Lahourcade L., Bellet-Amalric E., Monroy E., Abouzaid M., Ruterana P. Plasma-assisted molecular-beam epitaxy of AlN(112-2) on m sapphire // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 131909. https://doi.org/10.1063/1.2716375
- Ueno K., Kobayashi A., Ohta J., Fujioka H., Amanai H., Nagao S., Horie H. Room temperature growth of semipolar AlN (1–102) films on ZnO (1–102) substrates by pulsed laser deposition // PSS (RRL) 2009. V. 3. P. 58–60. https://doi.org/10.1002/pssr.200802263
- Li X., Zhao J., Liu T., Lu Y., Zhang J. Growth of Semi-Polar (101¯3) AlN Film on M-Plane Sapphire with High-Temperature Nitridation by HVPE // Materials. 2021. V. 14. P. 1722. https://doi.org/10.3390/ma14071722
- Bessolov V., Kalmykov A., Konenkov S., Konenkova E., Kukushkin S., Myasoedov A., Osipov A., Panteleev V. Semipolar AlN on Si(100): Technology and properties // Microelectron. Eng. 2017. V. 178. P. 34–37. https://doi.org/10.1016/j.mee.2017.04.047
- Kukushkin S.A., Osipov A.V. Nanoscale Single-Crystal Silicon Carbide on Silicon and Unique Properties of This Material // Inorganic Materials. 2021. V. 57. P. 1319–1339. https://doi.org/10.1134/S0020168521130021
- Kukushkin S.A., Osipov A.V., Soshnikov I.P. Growth of epitaxial SiC layer on Si (100) surface of n- and p- type of conductivity by the atoms substitution method // Rev. Adv. Mater. Sci. 2017. V. 52. P. 29–42.
- Kalinkin I.P., Kukushkin S.A., Osipov A.V. Effect of Chemical Treatment of a Silicon Surface on the Quality and Structure of Silicon-Carbide Epitaxial Films Synthesized by Atom Substitution // Semiconductors. 2018. V. 52. P. 802–808. https://doi.org/10.1134/S1063782618060118
- Goldberg Y. Properties of Advanced Semiconductor Materials: GaN, AIN, InN, BN, SiC, SiGe / Y. Goldberg, Eds. M.E. Levinshtein, S.L. Rumyantsev, M.S. Shur. New York: John Wiley & Sons, 2001. 216 P.
- Jindal V., Shahedipour-Sandvik F. Theoretical prediction of GaN nanostructure equilibrium and nonequilibrium shapes // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 083115. https://doi.org/10.1063/1.3253575
- Markov I.V. Crystal Growth for Beginners. Singapore: Scientific, 2003. 546 p.
- Akiyama T., Nakane H., Nakamura K., Ito T. Effective approach for accurately calculating individual energy of polar heterojunction interfaces // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 115302. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.115302
- Kukushkin S. New phase formation on solid surfaces and thin film condensation // Prog. Surf. Sci. 1996. V. 51. P. 1–107. https://doi.org/10.1016/0079-6816(96)82931-5
- Akiyama T., Nakane H., Uchino M., Nakamura K., Ito T. Structures and Polarity of III-Nitrides: Phase Diagram Calculations Using Absolute Surface and Interface Energies // PSS (b). 2018. V. 255. P. 1700329. https://doi.org/10.1002/pssb.201700329
- Abavare E.K.K., Iwata J.-I., Yaya A., Oshiyama A. Surface energy of Si(110)- and 3C-SiC(111)-terminated surfaces // PSS (b). 2014. V. 251. P. 1408–1415. https://doi.org/10.1002/pssb.201350335
- Sambonsuge S., Nikitina L.N., Hervieu Y.Y., Suemitsu M., Filimonov S.N. Silicon Carbide on Silicon (110): Surface Structure and Mechanisms of Epitaxial Growth // Russ. Phys. J. 2014. V. 56. P. 1439–1444. https://doi.org/10.1007/s11182-014-0197-7