CC BY
0ш
ISSN 1606-867Х (Print) ISSN 2687-0711 (Online)
среды и межфазные границы
https://journals.vsu.ru/kcmf/
Оригинальные статьи
Научная статья УДК 539.52
https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11477
Полуполярный GaN(11-22) на наноструктурированном Si(113): структура для снижения термических напряжений
В. Н. Бессоловн, Е. В. Коненкова, Т. А. Орлова, С. Н. Родин
ФГБУНФизико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация
Сообщается о росте полуполярных GaN(11-22) слоев методом эпитаксии из металлоорганических соединений на нано-структурированной подложке NP-Si(113). Показано, что упругие деформированные структуры GaN(11-22)/ NP-Si(113) при зарождении островкового слоя формируют нано-метровый "податливый" слой кремния на подложке, а упругие напряжения, обусловленные различием температурных коэффициентов GaN и Si в такой структуре, уменьшаются.
Ключевые слова: полуполярный нитрид галлия, наноструктурированный кремний, упругая и пластическая деформации структуры
Благодарности: Авторы благодарят В. К. Смирнова за предоставление наноструктурированных подложек Si(113), М. П. Щеглова, М. Е. Компана - за измерения.
Для цитирования: Бессолов В. Н., Коненкова Е. В., Орлова Т. А., Родин С. Н. Полуполярный GaN(11-22) на наноструктурированном Si(113): структура для снижения термических напряжений. Конденсированные среды и межфазные границы. 2023;25(4): 514-519. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11477
For citation: Bessolov V. N., Konenkova E. V., Orlova T. A., Rodin S. N. Semi-polar GaN(11-22) on nanostructured Si(113): structure for reducing thermal stresses. Condensed Matter and Interphases. 2023;25(4): 514-519. https://doi.org/10.17308/ kcmf.2023.25/11477
И Бессолов Василий Николаевич, e-mail: bes@triat.ioffe.ru © Бессолов В. Н., Коненкова Е. В., Орлова Т. А., Родин С. Н., 2023
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
Аннотация
В. Н. Бессолов и др. Полуполярный GaN(11-22) на наноструктурированном Si(113)...
1. Введение
Полупроводниковые материалы широкозонных нитридов III группы (AlN, GaN) стали наиболее важными материалами для применения в излучателях и детекторах в видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектра, а также в мощных электронных устройствах. Слои AlN, GaN в основном выращиваются на сапфировых, карбид кремниевых или кремниевых подложках. Кремниевая подложка более выгодна из-за ее низкой стоимости, высокой доступности и потенциальной интеграции нитрид галлиевой и кремниевой оптоэлектроники. Основными недостатками получения нитрида галлия на кремниевой подложке являются большое несоответствие кристаллических решеток (17 %) и различие в коэффициентах теплового расширения, которое вызывает растягивающее напряжение в слое при охлаждении от температуры роста до комнатной. В плоских слоях сильный изгиб и растрескивание слоя GaN проявляются при толщинах, превышающих 1 мкм [1]. Насколько нам известно, самый толстый слой GaN на Si подложке с применением огранки поверхности, был выращен без трещин с толщиной 19 мкм, с плотностью дислокаций 1.1-107 см-2 [2].
В последние годы предложено для роста полуполярных слоев использовать структурированные поверхности Si(100) подложки в основном в виде линейных, прямоугольных, либо треугольных хребтов микронного и нано-микрон-ного размеров. В этой технологии поверхность предварительно маскируют и обрабатывают в химическом травителе. Благодаря анизотропной скорости травления для различных кристаллографических направлений, можно оголить грань Si(111) и на структурированной Si(100) подложке вырастить слой GaN(10-11) [3], либо на структурированной Si(113) подложке получить GaN(11-22) слой [4]. Использование граней структурированной подложки для синтеза полуполярных структур отображено в ряде обзоров, например, [5, 6].
Для получения слоя полуполярной ориентации необходимо, чтобы угол между плоскостями грани зарождения и поверхностью подложки был равен углу между "с"-плоскостью GaN и целевой полуполярной плоскостью. Подложка Si(113) подходит для выращивания полуполярных GaN(11-22), поскольку угол между плоскостями Si(111) и поверхностью (113) кремниевой подложки близки к углам наклона полуполярной плоскости (11-22) к плоскости (0001).
При гетероэпитаксии GaN на кремниевой подложке основной проблемой эпитаксии является снижение упругой энергии, возникающей из-за несоответствия параметров решетки и различия коэффициентов температурного расширения, при этом следует сохранить низкую плотность дислокаций в слое.
Одним из перспективных технологических приемов, дающих возможность снизить упругие напряжения в слое GaN(0001), является использование «податливой» Si(111) подложки за счет организации пор в приповерхностном слое [7].
При гетероэпитаксии слоя GaN на подложке Si возможен рост упруго напряженных толстых эпитаксиальных слоев, если толщина подложки меньше, чем величина при которой произойдет её пластическая деформация [8]. В этом направлении было проведено несколько экспериментов, включая рост GaN на предварительно изготовленных кремниевых наномембранах [9] и на вытравленных с обратной стороны до толщины 10 мкм подложках Si [10]. Однако из-за трудностей обращения с наномембранами и тонкими подложками такой подход остается весьма сложными для получения эффективной «податливой» подложки. В наших экспериментах в качестве аналога «податливой» подложки использовался нано-размерный структурированный слой, который формировал полуполярный GaN(11-22) слой.
Данная работа посвящена снижению термических напряжений в полуполярных GaN(11-22) слоях при эпитаксии на нано-структурирован-ных - №^(113) подложках.
2. Экспериментальная часть
Эпитаксия полуполярного слоя проходила на наноструктурированной Si(113) подложке, у которой сформирована и-образная (рис. 1а) структура с периодом 30 нм, высотой наклонных нанохребтов 75 нм. Наномаска образуется в результате двухстадийного процесса, изложенного в [11]. Слои АШ и GaN на №^(113) подложках были выращены методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОСУБ) на модифицированной установке EpiOшp с горизонтальным реактором аналогично [12]. Водород использовался в качестве несущего газа, а аммиак, триметилгаллий и триме-тилалюминий в качестве прекурсоров. Структуры были двух типов и состояли из буферного слоя АШ толщиной около 10 нм (рис. 1Ь) и, во-первых, островкового слоя GaN (рис. 1с) и,
Конденсированные среды и межфазные границы / Condensed Matter and Interphases 2023;25(4): 514-519 В. Н. Бессолов и др. Полуполярный GaN(11-22) на наноструктурированном Si(113)...
а Ь с
Рис. 1. РЭМ изображение скола №^(113) подложки (а), подложки покрытой тонким слоем АШ (Ь) и островкового слоя GaN (с)
во-вторых, сплошного слоя ОаЫ толщиной ~ 1 мкм. Рентгенодифракционный анализ показал, что сплошные структуры ОаМ(11-22)/МР^(113) имеют полуширину кривой рентгеновской дифракции юе ~ 30 угл. мин.
Растровая электронная микроскопия (РЭМ) показала, что после роста буферного слоя АДО искажения поверхностного рисунка структуры не наблюдалось (рис. 1Ь), а после синтеза остров-кового слоя наблюдается деформация поверхностных хребтов Si.
Для оценки упругих напряжений структур со сплошным слоем измерялись спектры комбинационного рассеяния света в области фо-нонной моды E2(high). Для ОаЫ(11-22) линия E2(high) = 565.2 см-1, а, как известно, для ненапряженной структуры положение E2(high) = 568 см-1, что свидетельствует о наличии деформации растяжения ОаЫ. Для слоев ОаЫ(11-22) по выражению Аю = Кс, где К = 4.2 см-1/ГПа оценивалась величина продольных упругих напряжений, которая оказалась равной -0.67 ГПа, в то время как подобная величина для слоя ОаЫ, вы -ращенного на плоской подложке Si(111), была -1.19 ГПа [12].
3. Результаты и их обсуждения
При гетероэпитаксии ОаЫ на Si(111) величины упругих напряжений, которые возникают из-за несоответствия параметров решетки, существенно больше, чем величины термических напряжений. Мы положили, что в островковом слое отсутствует пластическая деформация и,
следовательно, поведение структурированной поверхности, которое определяли с помощью электронного микроскопа, будет определяться в основном различием постоянных решетки слоя и подложки. В сплошном ОаЫ(11-22) слое толщиной 1 мкм произойдет пластическая деформация при температуре эпитаксии, и упругие напряжения, которые измеряли методом комбинационного рассеяния света, будут определяться термическими напряжениями.
В структуре с островковым слоем изгиб хребтов на поверхности №^(113) однозначно свидетельствует о «податливости» структурируемой подложки. Дугообразный изгиб «хребта»
(рис. 1с) позволил по формуле R =
L + H2 2H
, оце-
нить радиус изгиба «податливого» Si слоя в направлении параллельно плоскости грани Si(111), опираясь на значения величин высоты дуги - Н и половины длины хорды дуги - L (рис. 1с). Оказалось, что величина радиуса изгиба хребта около Я = 510 нм.
При эпитаксии гексагонального ОаЫ на кубическом кремнии с толщиной около 400 мкм критическая толщина слоя, при котором происходит пластическая деформация будет невелика, поскольку даже при эпитаксии ОаЫ на стандартной сапфировой подложке с тонким буферным слоем АШ она составляет около 29 А [13]. Мы полагаем, что для островков эта толщина несколько увеличивается, но в островках нет пластической деформации (рис. 2а). Упругие напряжения в слое ОаЫ оказывают на грань подлож-
В. Н. Бессолов и др.
Полуполярный GaN(11-22) на наноструктурированном Si(113)...
а Ь
Рис. 2. Схематическое изображение роста слоев ОаЫ(11-22) на ЫР^1(113) подложке: а) островковый; Ь) сплошной
ки Si(111) изгибающий момент, который и приводит к искривлению хребта. Предполагая изотропное упругое поведение и пространственно-однородную двухосную деформацию несоответствия между GaN слоем и «податливым» слоем подложки можно вычислить кривизну к = 1/R из выражения [14, 15]:
— = 6mem R "
VhsJ
1 + h
mh (4 + 6h + 4 h2) + m2 h4
1 +
(1)
ются в направлении осей: «a» - al
и «с» - a;
1
'GaN(c)
■1
GaN(a)
■ 5.640-6 К-
= 4.840-6 К-1 [17]. Тогда, согласно выражению 2 [13], напряжения в направлении осей «а» и «с» будут иметь значения аа = -0.78 ГПа, а = -0.47 ГПа:
E
f 1 -V„_,
AaAT
1 + EGaN(1 -VSi)hGaN Zsii1 VGaN ))
(2)
Mf hf где m = —-, h = — = 1.
ms' h
Тогда при величине e = 0.17, EGaN = 295 ГПа и vGaN = 0.25, и ESi = 165.5 ГПа и vSi = 0.18, величина R = около 290 нм, что примерно в 2 раза меньше экспериментально определенной величины. Различие можно отнести к влиянию на радиус изгиба механических связей «податливого» слоя с остальной частью подложки.
При гетероэпитаксии сплошного GaN слоя величина возникающих при охлаждении упругих напряжений GaN(11-22)/NP- Si(113) структур зависит от различия коэффициентов термического расширения GaN и Si Da = aGaN - aSi. Коэффициенты термического расширения изотропной кремниевой подложки равен aSi = 3.6-10-6 К-1 [16], а коэффициенты термического расширения для анизотропного полуполярного GaN различа-
где АТ = 1000 °С, Н = 400 мкм, Н = 1 мкм. При оценке напряжений для гетероструктуры со сплошным слоем играют существенную роль, во-первых, степень связи «податливого» слоя с объемной ее частью и, во-вторых, возможное влияние огранки поверхности кристаллизуемого слоя на величину термических напряжений, аналогично [18]. Величина термических напряжений, оцененная по выражению (2), удовлетворительно соответствует полученной методом КРС величине напряжений в структуре. Действительно, по данным КРС величина напряжений в слое GaN толщиной 1 мкм равна -0.67 ГПа, что соответствует эффективной величине коэффициента термического расширения для GaN(11-22).
При эпитаксии полуполярного слоя GaN(11-22) на нано-структурированной подложке Si(113) в процессе образования островков происходит упругая деформация «податливого» приповерхностного слоя на нано-структурирован-ной подложке Si(113), которая формирует «податливый» слой и снижает величину термической деформации полуполярного слоя (рис. 2Ь).
4. Заключение
Таким образом, обнаружено, что нано-струк-турированная подложка Si(113) на начальной стадии эпитаксии GaN(11-22) формирует «податливый» слой, который может снижать термические напряжения. Такой подход может быть по-
В. Н. Бессолов и др. Полуполярный GaN(11-22) на наноструктурированном Si(113)...
лезен для технологии интеграции структур на платформе GaN- на - Si.
Заявленный вклад авторов
Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет известных финансовых конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье
Список литературы
1. Dadgar A. Sixteen years GaN on Si. Physica Status Solidi (b). 2015;252(5): 1063-1068. https://doi. org/10.1002/pssb.201451656
2. Tanaka A., Choi W., Chen R., Dayeh Sh. A. Si complies with GaN to overcome thermal mismatches for the heteroepitaxy of thick GaN on Si. Advanced Materials. 2017;29: 1702557. https://doi.org/10.1002/ adma.201702557
3. Tanikawa T., Hikosaka T., Honda Y., Yamaguchi M., Sawaki N. Growth of semi-polar (11-22) GaN on a (113) Si substrate by selective MOVPE. Physica Status Solidi (c). 2008;5: 2966-2968. https://doi.org/10.1002/ pssc.200779236
4. Bai J., Yu X., Gong Y., Hou Y. N., Zhang Y., Wang T. Growth and characterization of semi-polar (11-22) GaN on patterned (113) Si substrates. Semiconductor Science and Technology. 2015;30: 065012. https://doi.org/10.1088/0268-1242/30/6/065012
5. Li H., Zhang H., Song J., Li P., Nakamura Sh., DenBaars S. P. Toward heteroepitaxially grown semipolar GaN laser diodes under electrically injected continuous-wave mode: From materials to lasers. Applied Physics Reviews. 2020;7: 041318. https://doi. org/10.1063/5.0024236
6. Wang T. Topical review: Development of overgrown semi-polar GaN for high efficiency green/yellow emission. Semiconductor Science Technology. 2016;31: 93003. https://doi.org/10.1088/0268-1242/31/9/093003
7. Ishikawa H., Shimanaka K., Tokura F., Hayashi Y., Hara Y., Nakanishi M. MOCVD growth of GaN on porous silicon substrates. Journal of Crystal Growth. 2008;310: 4900-4903. https://doi.org/10.1016/j.jcrys-gro.2008.08.030
8. Lo Y. H. New approach to grow pseudomorphic structures over the critical thickness. Applied Physics Letters. 1991;59(18): 2311-2313. https://doi. org/10.1063/1.106053
9. Wang K., Song Y., Zhang Y., Zhang Y., Cheng Z. Quality improvement of GaN Epi-layers grown with a strain-releasing scheme on suspended ultrathin Si
nanoflm substrate. Nanoscale Research Letters. 2022;17(1): 99. https://doi.org/10.1186/s11671-022-03732-1
10. Wang X., Wu A., Chen J., Wu Y., Zhu J., Yang H. Study of GaN growth on ultra-thin Si membranes. Solid State Electron. 2008;52(6): 986-989. https://doi. org/10.1016/j.sse.2008.01.026
11. Smirnov V. K., Kibalov D. S., Orlov O. M., Gra-boshnikov V. V. Technology for nanoperiodic doping of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor channel using a self-forming wave-ordered structure. Nanotechnology. 2003;14(7): 709-715. https:// doi.org/10.1088/0957-4484/14/7/304
12. Бессолов В. Н., Компан М. Е., Коненкова Е. В. Родин С. Н. Деформация полуполярного и полярного нитрида галлия, синтезированного на подложке кремния. Известия РАН, серия физическая. 2022;86(7): 981-984. https://doi.org/10.31857/ S0367676522070109
13. Kim Ch., Robinson I. K., Myoung J., Shim K., Yoo M. C., Kim K. Critical thickness of GaN thin films on sapphire (0001). Applied Physics Letters. 1996;69: 2358-2360. https://doi.org/10.1063/L117524
14. Freund L. B., Floro J. A., Chason E. Extensions of the Stoney formula for substrate curvature to configurations with thin substrates or large deformations. Applied Physics Letters. 1999;74: 1987-1989. https:// doi.org/10.1063/1.123722
15. Krost A., Dadgar A., Strassburger G., Clos R. GaN-based epitaxy on silicon: stress measurements. Physica Status Solidi (a). 2003;200(1): 26-35. https:// doi.org/10.1002/pssa.200303428
16. Katona M., Speck J. S., Denbaars S. P. Effect of the nucleation layer on stress during cantilever epitaxy of GaN on Si (111). Physica Status Solidi (a). 2002;194(2): 5 50-5 53. https://doi.org/10.1002/1521-396x(200212)194:2<550::aid-pssa550>3.0.co;2-r
17. Wang K., Reeber R.R. Thermal expansion of GaN and AlN. Materials Research Society Symposia Proceedings. 1998;482: 863-868. https://doi. org/10.1557/PR0C-482-863
18. Tanaka A., Choi W., Chen R., Dayeh Sh. A. Si complies with GaN to overcome thermal mismatches for the heteroepitaxy of thick GaN on Si. Advanced Materials. 2017;29(38): 1702557. https://doi. org/10.1002/adma.201702557
Информация об авторах
Бессолов Василий Николаевич, к. ф.-м. н., с. н. с., с. н. с., Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://orcid.org/0000-0001-7863-9494
bes@triat.ioffe.ru
В. Н. Бессолов и др. Полуполярный GaN(11-22) на наноструктурированном Si(113)...
Коненкова Елена Васильевна, к. ф.-м. н., с. н. с., Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://ordd.org/0000-0002-5671-5422 lena@triat.ioffe.ru
Орлова Татьяна Алексеевна, к. ф.-м. н., н. с., Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://orcid.org/0009-0007-8234-127X Shikina71@hotmail.com
Родин Сергей Николаевич, н. с., Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://orcid.org/0000-0003-2236-8642 s_rodin77@mail.ru
Поступила в редакцию 14.08.2023; одобрена после рецензирования 28.08.2023; принята к публикации 16.10.2023; опубликована онлайн 26.12.2023.
