1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Механика твердого тела
  4. № 3, 2023

Известия РАН. Механика твердого тела, 2023, № 3, стр. 58-72

НОВЫЙ МЕТОД РЕЛАКСАЦИИ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ РОСТЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК

А. А. Корякин a, С. А. Кукушкин b, *, А. В. Осипов a, Ш. Ш. Шарофидинов c, М. П. Щеглов c

a Санкт-Петербургский государственный университет
Санкт-Петербург, Россия

b Институт проблем машиноведения Российской академии наук
Санкт-Петербург, Россия

c Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: sergey.a.kukushkin@gmail.com

Поступила в редакцию 02.10.2022
После доработки 10.11.2022
Принята к публикации 11.11.2022

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.

Ключевые слова: полуполярный нитрид алюминия, релаксация механических напряжений в наноструктурах, нанострутуры, соединения A3B5, карбид кремния на кремнии, метод HVPE

Список литературы

  1. 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.

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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.

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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.

  21. 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

  22. 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.

  23. 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

  24. Markov I.V. Crystal Growth for Beginners. Singapore: Scientific, 2003. 546 p.

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 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

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Механика твердого тела

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал