Российские нанотехнологии. 2019; 14: 93-100
Исследования островковых пленок нитрида галлия на сапфировых подложках методами растровой электронной микроскопии и спектральной эллипсометрии
https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-3-4-93-100Аннотация
Методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и спектральной эллипсометрии проведены исследования зародышевых слоев нитрида галлия (GaN) субстананометровой толщины, нанесенных при различных режимах в процессе атомно-слоевой эпитаксии (АСЭ) из триэтил галлия и аммиака на сапфировые подложки. Полученные зародышевые слои представляют собой островковые пленки с различной степенью покрытия поверхности подложек, состоящие из кристаллитов GaN, имеющих различные размеры и средние толщины в диапазоне 10–40 нм. Разработана программа обработки РЭМ-изображений, позволяющая проводить количественную оценку площади частиц, включений, фаз, присутствующих в пленках и на поверхности подложек. Показано, что методика обработки спектральных эллипсометрических измерений островковых пленок из кристаллитов GaN на сапфировых подложках по модели Максвелла–Гарнетта выявляет такую же тенденцию в площади покрытия подложек пленками, что и обработка РЭМ-изображений. Разработанные программа и методика позволили определить оптимальный режим АСЭ зародышевых слоев GaN на сапфировых подложках для формирования высококачественных HEMT-структур из шести реализованных режимов. Они могут быть также эффективно использованы при исследовании любых островковых пленок, слоев с включениями физических и химических фаз и систем коллоидных частиц, применяемых в процессе формирования микроэлектронных структур.
Список литературы
1. Данилин В., Жукова Т., Кузнецов Ю. и др. Транзистор на GaN пока самый “крепкий орешек” // Электроника: наука, технология, бизнес. 2005. № 4. С. 20.
2. Федоров Ю. Широкозонные гетероструктуры (Al,Ga,In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн // Электроника: наука, технология, бизнес. 2011. № 2. С. 93.
3. Куэй Р. Электроника на основе нитрида галлия. М.: Техносфера, 2011. 592 с.
4. Туркин А. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии. 2011. № 5. С. 6.
5. Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы // Тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции. 7–9 июня 2004 года, Москва. СПб.: Издательство СПбГПУ, 2004. 181 с.
6. Мальцев П., Шахнович И. СВЧ-технологии – основа электроники будущего: тенденции и рынки // Электроника: наука, технология, бизнес. 2015. № 8. С. 72.
7. Стратегическая программа исследований технологической платформы “СВЧ технологии”. Москва. 2017. new.isvch.ru/wp-content/uploads/2017/05/svch_ tech_may.doc. (http://new.isvch.ru/tp/doc_tp/.)
8. Harafuji T., Kawamura J. Molecular dynamic simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal // Appl. Phys. 2004. V. 96. P. 2501. 10.1063/1.1772878.
9. Voronenkov V.V., Virko M.V., Kogotkov V.S. et al. On the Laser Lift-Off of Lightly Doped Micrometer-Thick nGaN Films from Substrates via the Absorption of IR Radiation in Sapphire // Semiconductors. 2017. V. 51. № 1. P. 115. 10.1134/S1063782617010249.
10. Арендаренко А.А., Орешкин В.А., Свешников Ю.Н., Цыпленков И.Н. Тенденции развития эпитаксиальной технологии нитридных соединений // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18. № 1. C. 5. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2015-1-5-15.
11. Осинский В.И., Прищепа Н.П. Начальные стадии эпитаксии III-нитридов на сапфире // Электроника и связь. Тематический выпуск “Электроника и нанотехнологии”. 2009. Ч. 2. С. 23.
12. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology / Eds. Nishi, Doering R. Marcell Dekker Inc., N.Y. USA. Second Edition. 2008. Ch. 16. P. 41.
13. Груздов В.В., Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. // Контроль новых технологий в твердотельной СВЧ электронике. М.: Техносфера, 2016. С. 71.
14. Асеев А.Л. Наноматериалы и нанотехнологии для современной полупроводниковой электроники // Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1. № 1–2. С. 97.
15. Ковальчук М.В. Нанотехнологии – фундамент новой наукоемкой технологии XXI века // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 1–2. С. 6.
16. Максимов С.К., Максимов К.С. Контроль поверхностной функциональности наноматериалов // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 3–4. С. 93.
17. Буробин В.А., Зверев А.В., Арендаренко А.А. Способ получения эпитаксиального слоя бинарного полупроводникового материала на монокристаллической подложке посредством металлоорганического химического осаждения из газовой фазы. Патент РФ № 2548578 от 24.04.2015
18. Малыгин А.А. Нанотехнология молекулярного наслаивания // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 3–4. С. 87.
19. Руководство пользователя Gwyddion. http://gwyddion.net/download/user-guide/gwyddionuser-guide-ru.pdf.
20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018664620. Программа обработки изображений растровой электронной микроскопии для анализа неоднородностей и частиц в пленках. Дедкова А.А., Гусев Е.Э., Дюжев Н.А. Дата регистрации в Реестре программ 20 ноября 2018 года.
21. Швец В.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Михайлов Н.Н. Эллипсометрия – прецизионный метод контроля тонкопленочных структур с субмикронным разрешением // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 3–4. С. 106.
22. Fujiwara Hiroyuki Spectroscopic Ellipsometry. John Wiley & Sons Ltd, 2003. 370 p.
23. Tompkins H.G., Irene E.A. Handbook of Ellipsometry. Willian Andrew, Springer. 2006. 891 p.
24. Технология тонких пленок: Справочник в 2-х томах / Под ред. Майссела Л., Глэнга Р. / Перевод с англ. под ред. Елинсона М.И., Смолко Г.Г. М.: Советское радио, 1977. Т. 2. Гл. 8. С. 9.
Title in english. 2019; 14: 93-100
Investigation of gallium nitride island films on sapphire substrates by scanning electron microscopy and spectral ellipsometry
https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-3-4-93-100Abstract
Using scanning electron microscopy (SEM) and spectral ellipsometry, sub 100-nanometer nucleated (seed) layers of gallium nitride (GaN) deposited at different recipes in the process of atomic layer epitaxy (ALE) from triethyl gallium (TEG) and ammonia (NH3) on sapphire substrates were studied. The obtained nucleated layers are island films with different degree of substrate surface coating consisting of GaN crystallites having different sizes and average thicknesses in the range (10 – 40) nm. The SEM image processing program was developed, which allows quantitative evaluation of the area of particles, inclusions, phases present in films and on the surface of substrates. It is shown that the method of processing spectral ellipsometric measurements of nucleated layers from GaN crystallites on sapphire substrates by the Maxwell - Garnett model reveals the same trend in the areas substrates covered nucleated layers as the processing of SEM images. The developed program and method allowed determining the optimal recipe of ALE of GaN nucleated (seed) layers on sapphire substrates for the formation of high-quality HEMT-structures from 6 implemented recipes. It’s can be effectively used in the study of any islet films, layers with inclusions of physical and chemical phases and systems of colloidal particles used in the formation of microelectronic structures.
References
1. Danilin V., Zhukova T., Kuznetsov Yu. i dr. Tranzistor na GaN poka samyi “krepkii oreshek” // Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes. 2005. № 4. S. 20.
2. Fedorov Yu. Shirokozonnye geterostruktury (Al,Ga,In)N i pribory na ikh osnove dlya millimetrovogo diapazona dlin voln // Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes. 2011. № 2. S. 93.
3. Kuei R. Elektronika na osnove nitrida galliya. M.: Tekhnosfera, 2011. 592 s.
4. Turkin A. Nitrid galliya kak odin iz perspektivnykh materialov v sovremennoi optoelektronike // Komponenty i tekhnologii. 2011. № 5. S. 6.
5. Nitridy galliya, indiya i alyuminiya – struktury i pribory // Tezisy dokladov 3-i Vserossiiskoi konferentsii. 7–9 iyunya 2004 goda, Moskva. SPb.: Izdatel'stvo SPbGPU, 2004. 181 s.
6. Mal'tsev P., Shakhnovich I. SVCh-tekhnologii – osnova elektroniki budushchego: tendentsii i rynki // Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes. 2015. № 8. S. 72.
7. Strategicheskaya programma issledovanii tekhnologicheskoi platformy “SVCh tekhnologii”. Moskva. 2017. new.isvch.ru/wp-content/uploads/2017/05/svch_ tech_may.doc. (http://new.isvch.ru/tp/doc_tp/.)
8. Harafuji T., Kawamura J. Molecular dynamic simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal // Appl. Phys. 2004. V. 96. P. 2501. 10.1063/1.1772878.
9. Voronenkov V.V., Virko M.V., Kogotkov V.S. et al. On the Laser Lift-Off of Lightly Doped Micrometer-Thick nGaN Films from Substrates via the Absorption of IR Radiation in Sapphire // Semiconductors. 2017. V. 51. № 1. P. 115. 10.1134/S1063782617010249.
10. Arendarenko A.A., Oreshkin V.A., Sveshnikov Yu.N., Tsyplenkov I.N. Tendentsii razvitiya epitaksial'noi tekhnologii nitridnykh soedinenii // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Materialy elektronnoi tekhniki. 2015. T. 18. № 1. C. 5. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2015-1-5-15.
11. Osinskii V.I., Prishchepa N.P. Nachal'nye stadii epitaksii III-nitridov na sapfire // Elektronika i svyaz'. Tematicheskii vypusk “Elektronika i nanotekhnologii”. 2009. Ch. 2. S. 23.
12. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology / Eds. Nishi, Doering R. Marcell Dekker Inc., N.Y. USA. Second Edition. 2008. Ch. 16. P. 41.
13. Gruzdov V.V., Kolkovskii Yu.V., Kontsevoi Yu.A. // Kontrol' novykh tekhnologii v tverdotel'noi SVCh elektronike. M.: Tekhnosfera, 2016. S. 71.
14. Aseev A.L. Nanomaterialy i nanotekhnologii dlya sovremennoi poluprovodnikovoi elektroniki // Rossiiskie nanotekhnologii. 2006. T. 1. № 1–2. S. 97.
15. Koval'chuk M.V. Nanotekhnologii – fundament novoi naukoemkoi tekhnologii XXI veka // Rossiiskie nanotekhnologii. 2007. T. 2. № 1–2. S. 6.
16. Maksimov S.K., Maksimov K.S. Kontrol' poverkhnostnoi funktsional'nosti nanomaterialov // Rossiiskie nanotekhnologii. 2009. T. 4. № 3–4. S. 93.
17. Burobin V.A., Zverev A.V., Arendarenko A.A. Sposob polucheniya epitaksial'nogo sloya binarnogo poluprovodnikovogo materiala na monokristallicheskoi podlozhke posredstvom metalloorganicheskogo khimicheskogo osazhdeniya iz gazovoi fazy. Patent RF № 2548578 ot 24.04.2015
18. Malygin A.A. Nanotekhnologiya molekulyarnogo naslaivaniya // Rossiiskie nanotekhnologii. 2007. T. 2. № 3–4. S. 87.
19. Rukovodstvo pol'zovatelya Gwyddion. http://gwyddion.net/download/user-guide/gwyddionuser-guide-ru.pdf.
20. Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2018664620. Programma obrabotki izobrazhenii rastrovoi elektronnoi mikroskopii dlya analiza neodnorodnostei i chastits v plenkakh. Dedkova A.A., Gusev E.E., Dyuzhev N.A. Data registratsii v Reestre programm 20 noyabrya 2018 goda.
21. Shvets V.A., Spesivtsev E.V., Rykhlitskii S.V., Mikhailov N.N. Ellipsometriya – pretsizionnyi metod kontrolya tonkoplenochnykh struktur s submikronnym razresheniem // Rossiiskie nanotekhnologii. 2009. T. 4. № 3–4. S. 106.
22. Fujiwara Hiroyuki Spectroscopic Ellipsometry. John Wiley & Sons Ltd, 2003. 370 p.
23. Tompkins H.G., Irene E.A. Handbook of Ellipsometry. Willian Andrew, Springer. 2006. 891 p.
24. Tekhnologiya tonkikh plenok: Spravochnik v 2-kh tomakh / Pod red. Maissela L., Glenga R. / Perevod s angl. pod red. Elinsona M.I., Smolko G.G. M.: Sovetskoe radio, 1977. T. 2. Gl. 8. S. 9.
