Зарастание N-полярных инверсионных доменов из буферных слоев AlN в процессе роста слоев AlGaN / Осинных И.В., Малин Т.В., Журавлев К.С., Бер Б.Я., Казанцев Д.Ю.

Abstract

Нитриды металлов III группы AlN и GaN и их твердые растворы AlxGa1-xN являются прямозонными полупроводниками, обладающими уникальными свойствами и интенсивно исследующимися с целью создания оптоэлектронных и СВЧ мощных высокотемпературных приборов на их основе. Полярность материала (металлическая или азотная) сильно влияет на их физические свойства из-за наличия пироэлектрических и пьезоэлектрических полей в напряженных эпитаксиальных слоях. По этой причине контроль полярности эпитаксиальных слоёв AlxGa1-xN AlxGa1-xN является важной задачей. Полярность формируется условиями в начале роста, при неоптимальных условиях в матрице нужной полярности возникают инверсионные домены (ИД) с противоположной полярностью. Эти дефекты в эпитаксиальных слоях могут прорастать до поверхности всей структуры [1]. Рост буферных слоев AlN на нитридизованных сапфировых подложках в условиях обогащения Al позволяет формировать слои металлической полярности, однако возможно формирование N-полярных ИД [2]. В рамках данной работы было исследовано зарастание N-полярных инверсионных доменов из буферных слоев AlN в процессе роста слоев AlxGa1-xN. Была выращена серия слоев AlxGa1-xN, сильно легированных кремнием, методом молекулярнолучевой эпитаксии из аммиака на установке фирмы Riber CBE-32. Сапфировые подложки нитридизовались в потоке аммиака, после чего на нитридизованную подложку сапфира наносились 2 монослоя металлического алюминия, далее выращивался буферный слой AlN толщиной ~ 200 нм и на заключительном этапе исследуемые слои AlxGa1-xN толщиной ~ 500 нм. Содержание алюминия (x) в слоях менялось от 0 до 0.7. Морфология поверхности была исследована методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Концентрации атомов кремния и фоновых примесей – кислорода, углерода измерялись методом динамической вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) с использованием вторично-ионного микрозонда CAMECA IMS 7f. На АСМ изображениях поверхности буферных слоев AlN видны N-полярные инверсионные домены (ИД) высотой 30-50 нм, занимающие около 25% площади поверхности, N-полярная природа подтверждается их травлением в растворе KOH. Поверхность AlxGa1-xN имеет блочную структуру, однако блоки имеют металлическую полярность, это означает, что N-полярные ИД зарастают в процессе роста AlxGa1-xN. Известно, что концентрация атомов О существенно отличается для AlxGa1- xN различной полярности: в N-полярных слоях GaN концентрация кислорода более чем на порядок выше, чем в Ga-полярном материале, что отображается на экспериментальном профиле распределения для фоновой примеси кислорода, полученном методом ВИМС и позволяет оценить толщину переходного слоя, в котором зарастают ИД. Профили распределения для кислорода и алюминия находятся на примерно одинаковой глубине, что означает быструю смену полярности Nполярных ИД на металлическую полярность. Предположительно при начале роста AlxGa1-xN происходит образование металлического бислоя на поверхности ИД, что приводит к перевороту полярности.