Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 7, стр. 981-984

В последнее время значительные усилия направляются на создание и исследование структур на основе AlN и GaN, которые перспективны для создания новых каналов связи с высокой скоростью передачи данных для интернет-коммуникаций [1].

В последние годы каналы связи в видимом свете, которые используют диапазон 400–790 ТГц, рассматриваются как перспективные устройства для уменьшения перегрузки полосы пропускания в каналах связи [2]. Оптоэлектронные приборы с использованием полярной плоскости GaN обладают сильным внутренним поляризационным полем, что приводит к пространственному разделению электронов и дырок в квантовых ямах и уменьшению их излучательной рекомбинации и не обладают достаточным быстродействием для каналов связи в видимом свете. Одним из возможных путей повышения быстродействия и эффективности люминесценции квантово-размерных структур является выращивание III-нитридных излучателей вдоль полуполярных ориентаций. Из всех полуполярных ориентаций (11-22) GaN, возможно, является лучшим выбором для получения. светодиодов с более длинной длиной волны для высокоскоростных применений [1].

Полуполярные (11–22) GaN слои, выращенные на сапфире m-плоскости, позволили получить высокоэффективные светодиоды InGaN/GaN пригодные для применения их в каналах связи в видимом свете [3]. В настоящее время предпринимаются попытки синтезировать полуполярные нитриды галлия и алюминия [4, 5], в которых предлагается для синтеза использовать наклонную грань Si(111).

Полуполярный GaN(11–22) на кремнии удалось получать за счет роста на структурированных кремниевых Si(113) подложках с полосатыми канавками [6].

В работе [7] синтезирован GaN(11–22) на микроструктурированных подложках Si(113) с рисунком периодических квадратных окон, который показал низкую плотность дефектов и хорошие оптические свойства. Недавно наша группа получила полуполярные GaN(10–11) и AlN(10–12) на наноструктурированных V-образных Si(100) подложках, которые показали неплохие рентгеноструктурные характеристики [8, 9], однако полуполярные GaN(11–22) слои являются наиболее привлекательными для светодиодов [10].

Данная работа посвящена изучению деформации слоев полуполярного GaN(11–22) при эпитаксии на подложке Si(113), на поверхности которой сформирована наноструктура с размером элементов <100 нм (темплейт NP-Si(113)). Для выполнения поставленной цели формировался темплейт с периодом 75 нм, высотой наклонных узких прямоугольных нанохребтов 75 нм с нанополосками аморфного нитрида кремния SiN на вершинах (рис. 1).

В ходе технологического эксперимента в одинаковых температурно-временных режимах выращивались два образца – полуполярные слои GaN(11–22) на NP-Si(113) и, для сравнения, полярный GaN(0001) на плоской подложке Si(111). Слои AlN и GaN были выращены методом MOCVD на модифицированной установке EpiQuip с горизонтальным реактором и индукционно нагреваемым графитовым подложкодержателем. Водород использовался в качестве несущего газа, а аммиак, триметилгаллий и триметилалюминий – в качестве прекурсоров. Структуры состояли из слоя AlN толщиной 20–30 нм и нелегированного слоя GaN толщиной ~1 мкм. Структурные характеристики слоев GaN определялись методами рентгеновской дифрактометрии, растровой электронной микроскопии, комбинационного рассеяния света (КРС). КРС изучалось с помощью рамановского спектрометра MRS 320 Источником света являлся гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 632.8 нм. Исследования проводились при комнатной температуре аналогично [11].

Рентгенодифракционный анализ слоев показал, что слои имеют полуширину кривой рентгеновской дифракции ω_Ɵ ~ 30 угл. мин для GaN(11–22) и ω_Ɵ ~ 22 угл. мин для GaN(0002).

Исследование гетероструктур GaN(11–22)/ NP-Si(113) и GaN(0001)/Si(111) с помощью КРС позволило выявить различие в деформации структур при эпитаксии на плоской подложке Si(111) и на темплейте NP-Si(113). Спектры КРС, измеренные в области фононной моды E2(high), для слоев GaN, выращенных на NP-Si(113) и Si(111), в целом соответствовали тому, что можно было ожидать и содержали линии, принадлежащие кремниевой подложке, линии E₂(high), обусловленные нитридом галлия. Положение линии E₂(high) зависело от структуры и составляло 563.3 cм^–1 для GaN(0001)/Si(111) и 565.2 cм^–1 для GaN(11–22 )/ NP-Si(113) (рис. 2).

Различие в положении линий E₂(high) для этих структур можно объяснить следующим образом. Из данных по КРС хорошо видно, что положение пика линии E₂(high) для слоев GaN сдвинуто в низкочастотную сторону по отношению к его положению в недеформированном слое (при оценке принималось, что для ненапряженной структуры положение E₂(high) = 568 cм^–1), что свидетельствует о наличии деформации растяжения GaN в плоскости, параллельной плоскости подложки. Для слоев GaN(0001) и GaN(11–22) по выражению Δω = Кσ, где К = 4.2 cм^–1 · ГПа^–1, оценивалась величина продольных упругих напряжений – σ. Оказалось, что величины σ существенно различаются: σ₍₀₀₀₁₎ −1.12 ГПа и σ_(11-22) –0.67 ГПа, соответственно, для GaN(0001)/Si(111) и GaN(11–22 )/ NP-Si(113) структур.

Полученные величины упругих напряжений включают в себя остаточные упругие напряжения σ_Δa, которые возникают при температуре эпитаксии GaN = 1030°С, и напряжения σ_Δα, которые возникают при охлаждении структур GaN(0001)/Si(111) и GaN(11–22)/NP-Si(113). Поскольку зарождение и рост слоя GaN происходит на плоскости Si(111) или на гранях Si(111) мы полагаем, что остаточные упругие напряжения при температуре эпитаксии σ_Δα будут одинаковы для обоих типов структур, а напряжения, которые возникают при охлаждении могут различаться из-за различия коэффициентов термического расширения плоскостей сопряжения: GaN(0001)/Si(111) и GaN(11–22)/ NP-Si(100).

Действительно, величины упругих напряжений структур GaN(0001)/Si(111) и GaN(11–22)/ NP-Si(113), которые возникают при охлаждении, зависят от различия коэффициентов термического расширения GaN и Si Δα = α_GaN-α_Si для плоскостей сопряжения. Как известно, коэффициенты термического расширения Si k_Si = 3.6 · 10^–6 К^–1 [12], а в GaN из-за анизотропии кристаллов коэффициенты различаются: в направлении осей, $\left\langle {\text{a}} \right\rangle $ – k_GaN(a) – 5.6 · 10^–6 К^–1 [13] и $\left\langle {\text{c}} \right\rangle $ – k_GaN(c) = 3.17 · ⋅ 10^–6 К^–1 [14]. Тогда, согласно [15], напряжение, возникающее в гетероструктуре из-за разницы коэффициентов термического растяжения, можно оценить из выражения

где E = 295 ГПа и ν = 0.25, а ΔT – разница между температурой эпитаксии и комнатной. Оказалось, что упругие напряжения, которые могут возникать при охлаждении полярной структуры составляют величину σ_Δα(0001) = –0.79 ГПа тогда напряжения, которые возникли при температуре эпитаксии для полярной структуры составят величину и σ_Δa(0001)– = –0.33 ГПа. Основываясь на нашем предположении о равенстве величин упругих напряжений, возникающих при температуре эпитаксии из-за использования при зарождении плоскости Si(111) и грани Si(111) определим величину σ_Δα для полуполярной структуры, которая оказалась – 0.34 ГПa.

Поскольку в настоящее время известны коэффициенты термического расширения только в направлении $\left\langle {\text{a}} \right\rangle $ и $\left\langle {\text{c}} \right\rangle $, то при охлаждения полуполярного GaN(11–22) слоя на кремниевой подложке предлагается ввести эффективный коэффициент термического расширения полуполярного слоя в направлении $\left\langle {{\text{11--22}}} \right\rangle $ – $k_{{{\text{GaN}}\left( {{\text{11--22}}} \right)}}^{ * },$ который должен быть в интервале k_GaN(c) < < $k_{{{\text{GaN}}\left( {{\text{11--22}}} \right)}}^{ * }$ < k_GaN(a) (рис. 3б). Очевидно, что если положить $k_{{{\text{GaN}}\left( {{\text{11--22}}} \right)}}^{ * }$ = 4.47 · 10^-6 К^–1, то тогда величина σ_{Δα(11–22)} = –0.34 ГПа и совпадает с экспериментально полученной величиной напряжения для полуполярного слоя.

Итак, применение наноразмерной структурированной подложки Si(113) при формировании слоя полуполярного GaN(11–22) на темплейте предпочтительней, чем полярного GaN(0001) на подложке Si(111) из-за меньшей деформации в процессе охлаждения структуры от температуры роста до комнатной.

Авторы благодарят В.К. Смирнова за предоставление темплейтов. Исследования выполнены при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-08-00096).