ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРИИ

2022

СТМ/СТС исследование плотности состояний и поведения контраста на границе структур (7×7)N и (8×8) в системе SiN/Si(111)

В.Г. Мансуров, Т.В. Малин, С.А. Тийс, Д.С. Милахин, К.С. Журавлев

Лаборатория №18 аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии GaN гетероструктур на подложках кремния для силовых и СВЧ транзисторов (совместно с лабораториями №37 и №16)
Работа направлена на исследование начальных этапов роста гетероструктур AlGaN/GaN c двумерным газом на подложках Si(111), и на углубленное понимание первого необходимого этапа, предшествующего эпитаксиальному росту - процессу формирования слоя нитрида кремния. Исследовано формирование атомной и электронной структуры нового графеноподобного материала g-Si3N3 методом сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии (СТМ/СТС). Исследована зависимость контраста СТМ изображений от напряжения на туннельном промежутке на границе структур (7×7)N и (8×8). Из сопоставления с поведением контраста от напряжения на морфологической ступени, где контраст не меняется, сделан вывод, что контраст имеет неморфологическое происхождение, а связан с различием плотности состояний этих структур. Предложена сравнительно простая процедура коррекции СТС спектра дифференциальной проводимости с учетом поведения контраста от напряжения для определения плотности электронных состояний на поверхности.

Исследованы начальные этапы роста гетероструктур AlGaN/GaN c двумерным газом на подложках Si(111). После подготовки атомарно чистой поверхности подложки кремния с характерной реконструкцией (7×7), первой и необходимой технологической операцией перед непосредственным эпитаксиальным ростом А3-нитридов является контролируемая нитридизация поверхности кремния. Методами СТМ/СТС было подробно изучена эволюция атомной и электронной структур при высокотемпературной нитридизации поверхности Si(111) в потоке аммиака.

Экспериментально и теоретически исследована зависимость контраста СТМ изображений от напряжения на туннельном промежутке на границе структур (7×7)N и (8×8). Сопоставление поведения контраста от напряжения на этой границе и на морфологической ступени, на которой контраст не зависит от напряжения на туннельном промежутке, показано на Рис. 1. Сделан вывод, что контраст имеет не морфологическое происхождение, а связан с различием плотности состояний этих структур. Показано, что структура (8×8) формируется на поверхности кремния, а не в ямках травления поверхности.

Рис.1 Сопоставление поведения профиля «высоты» от напряжения на туннельном промежутке для границы (7×7)N/(8×8) – (а) и на морфологической ступени – (б).

Формирование туннельного тока и контраста между структурами интерпретируется в рамках одномерной модели туннельного тока WKB (Wentzel-Kramers-Brillouin), согласно выражениям:

где A нормировочный коэффициент, φ – высота туннельного барьера при нулевом напряжении, α=8m/h², z – туннельный зазор между зондом и поверхностью, E переменная интегрирования пробегающая значения энергии между уровнями Ферми зонда и образца. Функция T(E,V,z) трансмиссионный коэффициент туннельного барьера, ρs(E) плотность состояний поверхности образца, ρt(E-eV) плотность состояний зонда.

Предложена сравнительно простая двухэтапная процедура коррекции СТС спектра дифференциальной проводимости dσn=d(lnI)/d(lnV)=(dI/dV)/(I/V) с учетом поведения контраста от напряжения для определения плотности электронных состояний на поверхности. Исходя из нормированных плотностей состояний, а так же сохраняя функцию T(E,V,z) без вариаций, изменения ожидаемого туннельного тока для структур (7×7)N и (8×8), полученных интегрированием, показаны на Рис. 2.

Рис.2. Расчет ожидаемого туннельного тока от различных участков поверхности (7×7)N и (8×8) с разной плотностью состояний при различных рабочих напряжениях на туннельном промежутке при фиксированном туннельном промежутке.

На первом этапе рассчитывается изменение туннельного тока при переходе от структуры к структуре, предполагая туннельный зазор неизменным, на втором этапе рассчитывается необходимое изменение зазора для компенсации изменений тока, при этом моделируется работа обратной связи по току в СТМ. Получено хорошее согласие расчетов с эмпирическим поведением контраста.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
1. V.G. Mansurov, T.V. Malin, S.A. Teys, V.V. Atuchin, D.S. Milakhin and K.S. Zhuravlev, STM/STS study of the density of states and contrast behavior on the boundary between (7×7)N and (8×8) structures in the SiN/Si(111) system. Crystals, v. 12, №12, p. 1707, 2022. DOI: 10.3390/cryst12121707
2. В.Г. Мансуров, Ю.Г. Галицын, Т.В. Малин, С.А. Тийс, Д.С. Милахин, К.С. Журавлев, Интерпретация СТМ изображений островков структуры g-Si3N3 (8×8) при нитридизации поверхности Si(111) в рамках модели ВКБ. Нанофизика и наноэлектроника. Труды XXVI Международного симпозиума, т. 1, стр. 463-464, 2022. (ISBN 978-5-91326-720-7).

Результат получен в рамках выполнения темы государственного задания № 242-2022-0015.

2023

Химическая кинетика процесса нитридизации кремниевых подложек Si(111) при разных потоках аммиака

Д.Д. Башкатов, Т.В. Малин, В.Г. Мансуров, Д.С. Милахин, К.С. Журавлев

Лаборатория №18 аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов, Лаборатория №37 молекулярно-лучевой эпитаксии соединений А3В5.
Работа посвящена исследованию влияния различных потоков аммиака на процесс формирования кристаллической и аморфной фаз нитрида кремния на поверхности Si(111) при фиксированной температуре подложки. В ходе работы было установлено, что скорость формирования кристаллической фазы нитрида кремния линейно возрастает с увеличением потока аммиака. Линейный характер зависимости объясняется преимущественным участием хемосорбированных радикалов аммиака в реакции образования SiN и пониженной рекомбинацией радикалов аммиака на поверхности подложки Si(111).

Несмотря на то, что в большинстве литературных источников, посвященных росту монокристаллических пленок А3-нитридов на Si(111) методом МЛЭ, этап нитридизации обозначается критически важным, в литературе отсутствуют данные, в которых исследовался бы процесс нитридизации поверхности кремния методом МЛЭ в зависимости от потока аммиака, хотя аммиак является основным компонентом синтеза А3-нитридов на кремнии. Для формирования более полного представления о процессах, происходящих на подложке кремния в процессе экспонирования поверхности в потоке аммиака, в данной работе проводилось исследование нитридизации подложек Si(111) в зависимости от различных потоков аммиака (0.333, 1, 3, 9, 27, 81 норм. см³/мин) при фиксированной температуре подложки 850°C.

Процесс нитридизации поверхности кремния (111) начинался с подачи аммиака на предварительно подготовленную поверхность подложки, нагретую до температуры 850°C. При подаче аммиака в ростовую камеру на дифракционной картине (ДК) наблюдалось появление контрастной картины с дробными рефлексами, соответствующими образованию сверхструктуры (8×8), характерной для упорядоченной двумерной кристаллической фазы нитрида кремния. С увеличением времени нитридизации поверхности кремния, интенсивность рефлексов реконструкции (8×8) на ДК сначала возрастала, а затем снижалась в связи с формированием на поверхности аморфного слоя нитрида кремния.

Для построения зависимости интенсивности дифракционных рефлексов от времени, то есть кинетических кривых нитридизации поверхности кремния, проводилась обработка ДК.

Для этого выбирался участок ДК с характерным для SiN ярким дробным рефлексом 11/8. На Рис. 1 приведены кинетические кривые нитридизации кремния для всего исследуемого диапазона потоков аммиака, предварительно нормированные на максимум интенсивности.

Для определения скорости формирования кристаллической фазы нитрида кремния выполнялась экспоненциальная аппроксимация для каждой кинетической кривой нитридизации по формуле: y=y0+A∙[1-exp(-R1∙x)], где R1– скорость образования кристаллической фазы SiN. График зависимости скорости формирования кристаллической фазы нитрида кремния от потока аммиака представлен на Рис. 2.

С целью интерпретации полученных результатов, была предложена модель процесса нитридизации поверхности кремния в виде химических реакций, описывающих процесс диссоциативной хемосорбции NH3 на поверхности кремния, а также процесс образования кристаллической фазы SiN со сверхструктурой (8×8) [1]. Для объяснения линейной зависимости скорости формирования кристаллической фазы нитрида кремния от потока аммиака химические реакции были преобразованы в дифференциальное уравнение, решение которого было сведено к получению линейного уравнения путем рассмотрения стационарной ситуации по концентрации адсорбированного аммиака и пренебрежением рекомбинацией аммиака.

Сопоставление расчетных данных с экспериментальной линейной зависимостью скорости образования сверхструктуры (8×8) от потока аммиака позволило оценить соотношение констант скоростей формирования упорядоченной фазы SiN и диссоциативной хемосорбции аммиака, которое составляет ~10³. При этом степень покрытия поверхности радикалами аммиака составляет менее 10% при максимальном потоке аммиака, использованном в данной работе.

Полученные кинетические кривые формирования кристаллической фазы SiN несут полезную информацию для технологов, которая может быть использована при проведении процесса нитридизации кремниевой подложки на начальных этапах роста зародышевых слоёв AlN.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
[1] Bashkatov D.D., Malin T.V., Mansurov V.G., Milakhin D.S., Zhuravlev K.S. Chemical kinetics of the nitridation process of silicon Si(111) substrates at different ammonia fluxes. 2023 IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), v. 511, pp. 200-204, 2023. DOI:10.1109/EDM58354.2023.10225173.

Результат получен в рамках выполнения темы государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FWGW-2022-0015 «Аммиачная молекулярно-лучевая эпитаксия гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов».

Определение концентраций доноров и акцепторов в GaN по желтой полосе фотолюминесценции

И.В. Осинных, Т.В. Малин, К.С. Журавлев

Лаборатория №18 аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов, Лаборатория №37 молекулярно-лучевой эпитаксии соединений А3В5.
В настоящей работе представлены результаты по определению и сравнению расчетной и экспериментальной зависимости интенсивности фотолюминесценции от плотности мощности возбуждения для легированных кремнием слоев GaN, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Построена модель электронных переходов в полупроводнике, учитывающая излучательные межзонные, зона-акцепторные и донорно-акцепторные переходы и безызлучательные переходы при межзонной генерации электрон-дырочных пар. Анализ зависимостей интенсивности межзонной и донорно-акцепторной полос фотолюминесценции от плотности мощности возбуждения позволил оценить концентрации доноров и акцепторов в GaN.

Нитриды металлов III группы и их твердые растворы являются прямозонными, щирокозонными полупроводниковыми материалами, применяемыми в полупроводниковой нано- и микроэлектронике при изготовлении СВЧ и силовых транзисторов. Эпитаксиальный рост полупроводниковых структур сопряжен с образованием точечных дефектов, которые могут проявляться в качестве доноров и акцепторов. При росте GaN гетероструктур для СВЧ и cиловых транзисторов одним из важных параметров являются токи утечки через буферные слои.

Утечки в слоях GaN связанны с донороподобными дефектами. При этом, задача снижения токов утечки состоит в компенсации донорных дефектов акцепторами. В связи с чем, разработка методики неразрушающего контроля количества донорных и акцепторных дефектов в слоях GaN является важной практической задачей.

Фотолюминесцентная спектроскопия (ФЛ) – бесконтактный быстрый неразрушающий метод получения характеристик таких гетероструктур, требующий небольшого количества вещества для изучения. Желтая полоса ФЛ GaN с максимумом вблизи 2.2 эВ, связанная с электронными переходами на глубокие центры, дает информацию о дефектах кристаллов и активно используется для совершенствования технологии их роста, поскольку отношение интенсивностей краевой ультрафиолетовой полосы и желтой полосы в спектре люминесценции GaN может служить критерием его кристаллического совершенства. В настоящей работе использовалось решение системы кинетических уравнений для определения механизма рекомбинации желтой полосы в легированных Si слоях GaN и концентраций доноров и акцепторов в них по зависимости интенсивности желтой полосы от плотности мощности возбуждения. Предложенная модель универсальная и может быть использована для любых компенсированных полупроводников при высоких температурах.

В настоящей работе приведены результаты исследования кинетики и зависимости от мощности возбуждения желтой полосы ФЛ в легированных кремнием слоях GaN, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, для определения механизма рекомбинации желтой полосы и концентраций доноров и акцепторов в них (Рис. 1,2).

Концентрация атомов кремния в GaN менялась в пределах 1×1018 – 2.2×1020 см-3. Для измерения ФЛ в широком диапазоне мощности возбуждения использовалась 4-ая гармоника стационарного YAG лазера (λ=266 нм) с максимальной плотностью мощности излучения 12.6 Вт/см². Кривые затухания были измерены после короткого импульсного возбуждения неравновесных электронно-дырочных пар 4-ой гармоникой импульсного Nd:YLF лазера (λ=263 нм). Для анализа зависимости от мощности возбуждения построена модель электронных переходов в компенсированном GaN при межзонной генерации электрон-дырочных пар, в рамках модели были рассчитаны зависимости темпов различных каналов рекомбинации от плотности мощности возбуждения - три канала излучательной рекомбинации – межзонная (BB), зона-акцепторная (eA) и донорно-акцепторная (DA) с участием одного типа акцепторов и один канал безызлучательной рекомбинации (NR).

Спектры стационарной ФЛ GaN содержат полосы краевой ФЛ с максимумом около 3.45 эВ и желтой полосы с максимумом около 2.2 эВ. Расчетные зависимости темпов BB и DA рекомбинационных каналов совпадают с экспериментальными зависимостями для межзонной и желтой полос ФЛ. Анализ зависимостей интенсивности краевой и желтой полос ФЛ от плотности мощности возбуждения позволил оценить концентрации доноров и акцепторов в GaN.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
[1] [1] Osinnykh I.V, Malin T.V., Zhuravlev K.S. Determination of donor and acceptor concentrations in GaN using yellow photoluminescence band. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, v. 16, №1.3, pp. 33–38, 2023. DOI:10.18721/JPM.161.305

Результат получен в рамках выполнения темы государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FWGW-2022-0015 «Аммиачная молекулярно-лучевая эпитаксия гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов».

Влияние температуры роста слоёв GaN-на-Si, выращенных методом NH3-МЛЭ, на концентрацию доноров и токи утечки

Т.В. Малин, И.В. Осинных, В.Г. Мансуров, Д.Ю. Протасов, С.А. Пономарев, Д.С. Милахин, К.С. Журавлев

Лаборатория №18 аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов, Лаборатория №20 нанодиагностики и нанолитографии, Лаборатория №37 молекулярно-лучевой эпитаксии соединений А3В5.
Проведены исследования влияния температуры роста слоёв GaN-на-Si, выращенных методом NH3-MBE, внутри технологически приемлемого диапазона температур (750°С–850°С) на величину токов утечки по буферу. Продемонстрировано, что наименьшими токами утечки 1 мА/мм обладают слои GaN, выращенные при повышенной температуре роста (825 °С), при напряжённости электрического поля 41 кВ/см. Произведена оценка количества нейтральных доноров в слоях GaN-на-Si, установлена корреляция между токами утечки, структурным совершенством и концентрацией доноров в слоях GaN-на-Si.

Несмотря на значительные успехи технологии A3-нитридов, необходимо отметить, что все еще остаются актуальными задачи снижения энергетических потерь, повышения стабильности и надежности приборов. Высокие параметры приборов на основе A3-нитридных материалов были предсказаны теоретически, однако при реализации на практике AlGaN/GaN HEMT транзисторных и диодных структур обнаружился ряд проблем. В связи с чем, активно исследуются возможности преодоления: нестабильности порогового напряжения, нелинейности тока, проявления насыщения тока при неожиданно низких напряжениях и ограничения диапазона вариации напряжения, эффекта коллапса тока и т.д., в частности, серьезно стоят проблемы повышения пробойных напряжений и снижения различного рода утечек.

Исследуемые образцы гетероструктур GaN-на-Si с толщиной слоя GaN 1000 нм выращивались на установке NH3-МЛЭ Compact-21N при выбранных температурах (775 °C, 800 °C и 825 °C) в потоке аммиака 200 норм. см³/мин со скоростью роста 600 нм/ч. Далее по тексту образцы исследуемой серии обозначены как «GaN-775», «GaN-800», «GaN-825». На Рис. 1 приведены спектры стационарной фотолюминесценции (PL) слоев GaN при комнатной температуре. В измеренных спектрах PL доминируют две полосы: полоса краевой PL в ультрафиолетовом спектральном диапазоне с положением максимума интенсивности около 3.4 eV и желтая полоса, обусловленная дефектами, с положением максимума интенсивности около 2.2 eV, также в спектрах присутствует слабо выраженная синяя полоса при 2.8–3.0 eV, также обусловленная дефектами. Структура «GaN-775» демонстрирует наибольшие значения относительной интенсивности желтой и синей полос относительно краевой полосы PL в исследуемой серии образцов, что можно интерпретировать как наличие наибольшего количества дефектов в данном образце. В то время как структура «GaN-825» демонстрирует наименьшие значения относительных интенсивностей связанных с дефектами полос.

Измеренные зависимости плотности тока (на единицу ширины контакта) от напряженности электрического поля в исследуемых образцах гетероструктур представлены на Рис. 2, геометрия образцов показана в работе [1]. Расстояние между омическими контактами (условная длина канала), которые представляют собой площадки размерами 1×1 мм², составляло 5 мкм, а, соответственно, ширина «канала» утечек 1 мм. Из Рис. 2 видно, что наибольшие токи утечки у образца «GaN-775», для которой плотность тока 1 мА/мм достигается уже при напряженности 8.3 кВ/см. Для образца «GaN-800» плотность тока меньше – 1 мА/мм достигается уже при 25 кВ/см, а для образца «GaN-825» плотность тока 1 мА/мм наблюдается при еще большем поле 41 кВ/см. Дальнейшее снижение токов утечки в слоях GaN-on-Si, выращиваемых методом NH3-МЛЭ, требует преднамеренного легирования акцепторами.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
[1] Malin T.V., Osinnykh I.V., Mansurov V.G., Protasov D.Y., Ponomarev S.A., Milakhin D.S., Zhuravlev K.S. Effect of growth temperature of NH3-MBE grown GaN-on-Si layers on donor concentration and leakage currents. Journal of Crystal Growth, v. 626, p. 127459, 2024. DOI:10.1016/j.jcrysgro.2023.127459. IF 1.815 (Q2).

Результат получен в рамках выполнения темы государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FWGW-2022-0015 «Аммиачная молекулярно-лучевая эпитаксия гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов».

Снижение плотности поверхностных электронных состояний гетероструктур AlGaN/GaN с 2DEG при in situ пассивации слоями нитрида кремния или GaN, продемонстрированное методами рентгеновской и УФ-фотоэлектронной спектроскопии

В.Г. Мансуров, Т.В. Малин, В.А. Голяшов, Д.С. Милахин , К.С. Журавлёв

Лаборатория №18 аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов, Лаборатория №3 физики и технологии гетероструктур, Лаборатория №37 молекулярно-лучевой эпитаксии соединений А3В5.
Выращена серия экспериментальных образцов гетероструктур AlGaN/GaN с высокоподвижным двумерным электронным газом, на которых исследовано влияние различных in situ пассивирующих слоев (SiN, GaN) на поверхностные состояния методами фотоэлектронной спектроскопии - XPS, UPS, ARPES. Наблюдалась существенная перестройка спектра плотности состояний на поверхности гетероструктуры при пассивации слоями нитрида кремния в сравнении с чистой поверхностью барьерного слоя AlGaN. Кроме того, что особенно важно, продемонстрировано снижение плотности состояний в области энергетического спектра, соответствующей запрещенной зоне барьерного слоя AlGaN гетероструктуры. Показано, что последний эффект вносит существенный вклад в пассивацию поверхности гетероструктур AlGaN/GaN с двумерным электронным газом.

Определение влияния различных кристаллических и аморфных пассивирующих слоев на электронные состояния и поверхностные свойства А3-нитридных гетероструктур является важной задачей с точки зрения улучшения характеристик современных устройств СВЧ и силовой электроники. В настоящей работе методами рентгеновской, ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (XPS, UPS), в том числе с угловым разрешением (ARPES), исследовано влияние нанесенных in situ пассивирующих слоев нитрида галлия и нитрида кремния на поверхностные электронные состояния гетероструктур AlGaN/GaN с высокоподвижным двумерным электронным газом (2DEG) [1]. Проведен тщательный анализ экспериментальных спектров UPS, включая угловые зависимости. Пример обработки ARPES изображений представлен на Рис. 1.

Стоит отметить, что метод UPS обладает высокой чувствительностью к поверхности – глубина анализа составляет всего около 5-10 нм.

Как видно на Рис. 1, из экспериментальных спектров выделен вклад первичных фотоэлектронов, то есть, отфильтрованы вторичные электроны. Кроме того, выделен вклад электронных состояний поверхности в энергетической области запрещенной зоны барьерного слоя AlGaN. При нанесении пассивирующих слоев наблюдалась существенная перестройка плотности состояний в области валентной зоны. UPS спектры образцов с чистой поверхностью AlGaN (черный график) и покрытых нитридным слоем (цветные кривые) представлены на Рис. 2.

Изменение формы спектра наиболее естественным образом объясняется постепенной сменой материала на поверхности, то есть перестройкой валентной зоны AlGaN к новой валентной зоне Si3N4. Обнаружено, что плотность состояний на поверхности в энергетической области запрещенной зоны AlGaN уменьшается примерно на порядок при формировании слоя нитрида кремния.

Впервые обнаружено, что значительное снижение плотности поверхностных состояний (до 6 раз) наблюдается даже при формировании упорядоченного слоя нитрида кремния SiN со сверхструктурой (√3×√3)R30° предельно малой толщины. Снижение плотности состояний на поверхности в запрещенной зоне – это существенный вклад в пассивацию поверхности гетероструктуры.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
[1] Mansurov V.G., Malin T.V., Golyashov V.A., Milakhin D.S., Zhuravlev K.S. Investigation of the effect of different types of SiN layers and cap-GaN on the surface electronic states of AlGaN/GaN heterostructures with 2DEG using X-ray and UV photoelectron spectroscopy. Applied Surface Science, v. 640, p. 158313, 2023. DOI:10.1016/j.apsusc.2023.158313. IF 7.146 (Q1).

Результат получен в рамках выполнения темы государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FWGW-2022-0015 «Аммиачная молекулярно-лучевая эпитаксия гетероструктур GaN на кремниевых подложках для мощных и СВЧ- транзисторов».