Электрофизические свойства нитрида индия и твердых растворов на его основе

2
Содержание
Содержание....................................................... 2
Введение......................................................... 6
Глава 1 Свойства нитрида индия и твердых растворов на его основе. Характеристика проблем, рассматриваемых в диссертации (литературный обзор)................................ 15
1.1. Перспективы применения 1пЫ и 1пхОа1.хЫ с высоким содержанием 1п.................................................. 15
1.2. Переход от «широкозонного» к «узкозонному» 1пЫ............. 17
1.3. Нитрид индия - композитное соединение...................... 21
1.4. Электрофизические свойства 1пИ............................. 26
1.4.1. Собственные дефекты и непреднамеренно
встраиваемые примеси............................................ 27
1.4.2. Поверхностный аккумуляционный слой................... 28
1.4.3. Эпитаксиальные слои 1п1М, легированные .............. 32
1.4.4. Осцилляции Шубникова-де Гааза в слоях 1пИ............ 34
1.5. Свойства твердых растворов 1пхСа|.хН....................... 35
1.5.1. Явления фазового распада и сегрегации металлического 1п, их связь с оптическими свойствами 1пхОа1.хЫ....................................................... 35
1.5.2. Электрические свойства 1пхСа1.хЫ..................... 39
ГЛАВА 2. Исследованные образцы и экспериментальные методики........................................................ 41
2.1. Описание исследованных образцов............................ 41
2.2. Электрофизические измерения в постоянном слабом
магнитном поле.................................................. 45
2.3. Электрофизические измерения в сильных импульсных
магнитных полях................................................. 50
Глава 3 Электрофизические свойства 1пМ. Влияние
кластеров металлического 1п..................................... 52
3
3.1. Поведение эпитаксиальных слоев 1пЫ и намеренно сформированных композитных структур 1пЫ/1п в слабом
магнитном поле................................................... 53
3.2. Низкотемпературные особенности поведения удельного сопротивления.................................................... 56
3.3. Аномальные зависимости коэффициента Холла и удельного сопротивления от магнитного ноля. Качественное объяснение....................................................... 61
3.4. Теоретическая аппроксимация зависимостей коэффициента
Холла и удельного сопротивления от магнитного поля............... 66
3.4.1. Зависимость коэффициента Холла от магнитного
поля............................................................. 66
3.4.2. Магнитосопрогивление.................................. 68
3.4.3. Транспортные параметры электронов в полупроводниковой матрице 1пИ.................................... 72
3.5. Влияние электрических параметров матрицы 1пМ и »
количества кластеров 1п на величину эффекта
магнитосопротивления............................................. 74
3.6. Эффект отрицательного магнитосопротивления в
сильнолегированных слоях 1пЫ:М§.................................. 78
Глава 4. Электрофизические свойства 1п1Ч. Электрические свойства поверхностного, ириинтсрфейсного слоев и
объема полупроводниковой матрицы 1пХ............................. 81
4.1. Осцилляции Шубникова-дс Гааза: объемный слой................ 82
4.1.1. Циклотронная эффективная масса электронов............. 82
4.1.2. Квантовое и транспортное времена релаксации
электронов в объеме матрицы ГпЫ.................................. 86
4.2. Осцилляции Шубникова-де 1"ааза: двумерный
поверхностный слой............................................... 88
4
4.3. Влияние поверхностного слоя на электрические свойства полупроводниковой матрицы 1пЫ..................................... 93
4.4. Свойства приинтерфейсного слоя вблизи гетерограницы
1пЫ/СаЫ........................................................... 95
4.5. Электрические свойства объема полупроводниковой
матрицы 1пК в зависимости от условий роста........................ 96
Глава 5. Электрофизические свойст ва твердых растворов 1пхСа,.^Ч......................................................... 99
5.1. Электрические свойства 1пхСа1_хК в слабых магнитных
полях............................................................. 99
5.2. Электрические свойства 1пхСа].хЫ в сильных магнитных
полях............................................................ 101
5.2.1. Критическое содержание 1п в твердом растворе
1пхСа|.хЫ........................................................ 105
5.2.2. Фазовый распад. Особенности поведения
коэффициента Холла............................................... 105
5.2.3. Фазовый распад. Эффект сильного отрицательного
магнитосопротивления............................................. 110
Заключение....................................................... 113
Список цитируемой литературы..................................... 117
Основные работы, включенные в диссертацию........................ 130
5
Список сокращений
Обозначение Расшифровка
УФ Ультрафиолетовый
ик Инфракрасный
СВЧ Сверхвысокочастотный
мпэ Молекулярно-пучковая эпитаксия
МПЭПА Молекулярно-пучковая эпитаксия с плазменной активацией
ГФЭМОС Газофазная эпитаксия из металлорганических соединений
ШдГ Шубников - де Гааз
мс Монослой
АЦП Аналого-цифровой преобразователь
Введение
Актуальность проблемы.
Соединения А3К являются перспективными материалами для практического использования в опто- и микроэлектронике. В настоящее время на основе соединений 1пЛОа1_хК (х < 15%) и А1хОа|.хК (х<20%) практически завершена разработка и освоен промышленный выпуск светодиодов зеленого, синего и ближнего ультрафиолетового (УФ) спектральных диапазонов, а также лазерных диодов синего и УФ диапазонов [1*]. Созданы высокомощные сверхвысокочастотные транзисторы на основе гетероструктур ОаМ/АЮаЫ [1*].
Нитрид индия и твердые растворы 1пОаЫ, обогащенные 1п, считаются ключевыми материалами с точки зрения расширения возможностей применения нитридов Ш-ей группы в зелено-красной и ИК областях спектра. Для 1пЫ были также предсказаны лучшие, по сравнению с другими соединениями А3М, транспортные параметры, в частности малая эффективная масса электронов и их высокая подвижность. Эго делает данный материал крайне перспективным для создания на его основе высокоэффективных СВЧ транзисторов. Однако существующий в настоящее время ряд проблем в понимании электрофизических свойств данного материала привел к тому, что, несмотря па интенсивные в течение последнего десятилетия исследования 1п1Ч, ни одно из предсказанных применений в микроэлектронике пока не реализовано.
Одной из проблем является сложность контроля транспортных параметров электронов в 1пК. Значения фоновой концентрации электронов в остаются достаточно высокими (1018 1019 см'3), а величины подвижности электронов
(100 2300 см2/Вс) значительно ниже теоретически предсказанного уровня.
Кроме того, значения холловской концентрации и подвижности в 1пК варьируются в широких пределах для образцов, выращенных в разных условиях. Причины такого разброса данных в настоящее время недостаточно изучены, а сами транспортные параметры слабо поддаются контролю. Это обуславливает сложность воспроизводимого роста слоев 1пИ с заданными
транспортными параметрами, необходимыми для практического использования материала.
Существуют экспериментальные данные о наличии на поверхности эпитаксиальных пленок 1пЫ аккумуляционного слоя. С помощью методов фотоэмиссионной спектроскопии, спектроскопии энергетических потерь электронов и вольт-фарадных измерений с использованием электролита было экспериментально доказано его существование, определены значения концентрации электронов в поверхностном слое в некоторых образцах и толщины поверхностного слоя. Во многих работах, посвященных исследованию электрических свойств 1пЫ, полагается, что поверхностный аккумуляционный слой шунтирует объемный слой («объем») пленок 1пМ, транспортные параметры которого необходимо вычислять с учетом такого влияния. Однако экспериментальных доказательств такого влияния поверхностного слоя на электрические измерения слоев 1пЫ к настоящему моменту не представлено, равно как достоверно неизвестно и значение подвижности электронов в поверхностном слое, что приводит к невозможности корректного учета их влияния при определении транспортных параметров объема эпитаксиальных пленок 1пН.
Еще одной особенностью проводимых до настоящего времени исследований электрических свойств 1пК является то, что во всех исследованиях электрических свойств нитрид индия рассматривался как обычный вырожденный однородный полупроводник. Тогда, как известно, что из-за слабой энергии связи 1п-М, наличия преципитатов металлического 1п на ростовой поверхности 1гйЧ и большой плотности протяженных дефектов, в процессе роста слоев 1пК может происходить спонтанное образование кластеров металлического 1п [2*]. Открытое ранее и детально исследованное сильное влияние нанокластеров 1п на оптические свойства пленок ГпЫ [3*,4*] указывает на то, что 1пИ является не обычным полупроводником, а представляет собой композитное соединение, состоящее из полупроводниковой матрицы 1пК и кластеров металлического 1п. Поскольку данная точка зрения
находит активных противников в международном нитридном сообществе, детальных экспериментальных исследований по возможному влиянию таких кластеров на электрические свойства пленок 1пЫ к началу диссертационной работы в мире не проводилось.
Аналогичные процессы кластеризации металлического 1п могут наблюдаться и в соединениях 1пхОа1_хЫ с высоким содержанием 1п (> 20%). Образование 1п кластеров стимулируется явлениями фазового распада вследствие большого рассогласования периодов кристаллической решетки 1пИ и Оа1Ч, а также процессами аккумуляции 1п на дефектах. Наличие таких металл-обогащенных областей может приводить к снижению эффективности излучательной рекомбинации в 1пхОа!.хЫ, что несомненно является одной из причин (наряду с генерацией протяженных дефектов), препятствующей расширению спектрального диапазона эффективной работы светодиодов и лазерных диодов на основе 1пСаЫ в длинноволновую область спектра. Поэтому представлялось необходимым определение критического состава твердого раствора, при котором начинается кластеризация металлического 1п.
Таким образом, к моменту начала диссертационной работы отсутствовало детальное понимание электрофизических процессов, протекающих в нитриде индия, во взаимосвязи с условиями его получения, его структурными свойствами и морфологией. Исследование электрофизических свойств эпитаксиальных слоев 1пЫ и 1п-обогащенных твердых растворов 1пОаЫ с рассмотрением всех возможных факторов, оказывающих влияние на электрические свойства этих соединений, а также экспериментальное определение их количественного вклада, является актуальным как с научной, так и с практической точек зрения.
Цели и задачи работы.
Цель работы заключалась в исследовании электрофизических свойств слоев 1пИ и твердых растворов 1пхСа1.хЫ (х > 0.2), полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота, с детальным
9
рассмотрением всех факторов, которые оказывают влияние на электрические свойства данных соединений.
Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:
Определение основных параметров эпитаксиальных слоев нитрида индия, а также факторов, оказывающих влияние на его электрические свойства:
Разработка электрофизических методов определения наличия нанокластеров 1п в слоях 1пЫ и их основных параметров: размеров и концентрации;
- Оценка степени влияния спонтанно сформированных в процессе роста кластеров металлического 1п на электрические свойства эпитаксиальных слоев 1пЫ;
- Определение транспортных параметров поверхностного слоя и объема полупроводниковой матрицы 1пЫ в зависимости от условий роста. Оценка степени влияния поверхностного слоя на электрические измерения объема слоев 1пЫ;
- Определение вклада приинтерфейсного слоя 1п1М, расположенного вблизи гетсрограницы 1пШ>уфер (подложка);
Определение основных факторов, оказывающих влияние на электрофизические свойства твердых растворов 1пх(За1.хЫ больших составов:
- Определение критического содержания 1п в соединениях 1пСаМ, при котором начинается спонтанное образование мсталл-обогащенных преципитатов.
- Выяснение влияния явлений фазового распада на электрофизические свойства слоев 1пхОа,.хМ в диапазоне составов х > 0.2.
10
Научная новизна и практическая значимость работы состоит в проведении комплексного экспериментальног о и теоретического исследования электрофизических свойств нитрида индия и твердых растворов на его основе с учетом всех возможных влияющих факторов.
1. Впервые показано, что электрическая проводимость эпитаксиальных слоев 1пИ определяется четырьмя вкладами: влиянием спонтанно формирующихся кластеров 1п, поверхностного, приинтерфейсного слоев и объема полупроводниковой матрицы 1пИ. Электрофизические измерения при низких температурах в широком диапазоне значений маг нитных полей (вплоть до 63 Тл) позволяют разделить все эти вклады.
2. Впервые экспериментально определены транспортные параметры электронов (концентрация и подвижность) в аккумуляционном слое на поверхности 1пЫ, что позволило оценить степень влияния этого слоя на электрические измерения объемного слоя. Показано, что параметры электронов в поверхностном слое заметно различаются для разных слоев 1п>1.
3. Предложен надежный метод доказательства на основе электрофизических измерений наличия спонтанно формирующихся кластеров металлического 1п в эпитаксиальных слоях 1пИ.
4. Обнаружено, что наличие кластеров Тп приводит к аномальной зависимости коэффициента Холла и сопротивления от магнитного поля. Это не позволяет использовать для определения действительных значений
концентрации и подвижности электронов в полупроводниковой матрице 1пЫ соотношения для обычных полупроводников, как это делалось во всех предыдущих работах, а требует определения в рамках моделей, учитывающих наличие кластеров 1п.
5. В рамках используемых моделей определено, что процентное содержание металлического 1п в эпитаксиальных слоях lnN варьируется в диапазоне от (3±1)% - (7±1)% в зависимости от условий МПЭ ПА роста, а минимальный размер кластеров 1п составляет 10-30 нм.
11
6. В эпитаксиальных слоях InN обнаружен сильный линейный эффект магнитосопротивления, не насыщающийся вплоть до 63 Тл. Показано, что амплитуда эффекта зависит как от значений концентрации и подвижности электронов в матрице InN, так и от количества кластеров металлического 1п. Максимальные величины магнитосопротивления были достигнуты в эпитаксиальных слоях InN, выращенных в слегка In-обогащенных условиях (In/N = 1.1), и составляли 350% при 300 К и 650% при 4.2 К в магнитном поле 25 Тл. Наблюдающийся линейный эффект магнитосопротивления позволяет использовать InN для изготовления датчиков магнитного поля.
7. Показано, что электроны, находящиеся в приинтерфейсном слое InN вблизи гетерограницы с буфером GaN, вносят существенный вклад в полную проводимость эпитаксиального слоя InN, однако не проявляют себя в осцилляциях Шубникова-де Гааза вследствие того, что расстояние между протяженными дефектами (прорастающими дислокациями) в данном слое меньше радиуса циклотронной орбиты электронов. Соотношение концентраций электронов в приинтерфейсном слое и объеме InN может служить критерием структурного совершенства эпитаксиального слоя и степени оптимальности начальной стадии роста.
8. Определено критическое содержание 1п в твердых растворах InxGai.xN (х), при котором начинается спонтанное формирование кластеров металлического 1п. Обнаружено, что х = (38±3)%, что накладывает ограничения на использование твердых растворов InxGa|.xN в оптоэлсктронных приборах зеленого и желто-зеленого спектральных • диапазонов. Показано, что критическое содержанием 1п не зависит от стехиометрии роста.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Полная проводимость эпитаксиальных слоев InN, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией, определяется четырьмя составляющими: вкладом спонтанно формирующихся кластеров металлического 1п, проводимостью объемного, приинтсрфейсного и