Исследование электрофизических свойств гетероструктур Pt/AlN/SiC/Si

Нитрид алюминия, химическая формула , —материал с ковалентными связями, имеющий гексагональную кристаллическую структуру типа вюрцита.

Рис.1.3 Кристаллическая структура нитрида алюминия (AlN)

Преимущество нитрида алюминия перед другими материалами обусловлено уникальным сочетанием его физических и электрических характеристик: высокой теплопроводности, хороших электроизоляционных свойств, умеренного коэффициента теплового расширения при относительно невысокойстоимости. Наиболее интенсивно нитрид алюминия используется для изготовления корпусов и подложек интегральных схем, мощных транзисторов, поглотителей и оконечных нагрузок.

В таблице приведены наиболее важные сравнительные электрофизические характеристики предлагаемой для использования в разработках научной аппаратуры керамики из нитрида алюминия (AlN) и керамики из оксида бериллия (BeO) и оксида алюминия (AlO ) по данным отечественных и зарубежных источников.

Таблица 1

Учитывая высокие теплофизические и электрофизические характеристики керамики из нитрида алюминия, возможности сохранения ее работоспособности в широком диапазоне температур, намечены следующие направления ее использования в космическом приборостроении в качестве:

–              корпусов и подложек мощных монолитных интегральных схем усилителей мощности;

–              коммутационных микрополосковых плат мощных полупроводниковых структур, устанавливаемых методом обратного монтажа;

–              подложек мощных согласованных нагрузок и поглотителей мощности;

–              теплопроводов устройств охлаждения приемных систем повышенной чувствительности;• теплопроводящих изоляторов нагревателей активных термостатов приборных узлов;

–              изолирующих прокладок в системах отвода тепла конструкционных узлов;

–              составляющих теплопроводящих клеев и смазок;  подложек термоэлектрических преобразователей на основе элементов Пельтье в системе охлаждения до температуры 160К;

–              элементов систем передачи тепла и нагрева (на криогенном уровне около 70К);

–              элементов систем с применением микрохолодильных машин для компенсации механических вибраций; элементов перспективных разработок в области схемотехники и микроЭВМ в качестве подложек для ЧИПов для улучшения отвода тепла и доведения плотности упаковки до 500см кремния в объеме 1 дм .

§3. Тонкопленочные структуры на основе нитрида алюминия.

Уникальные свойства тонких пленок нитрида алюминия позволяют применять их в микроволновых фильтрах и для пьезоэлектрических преобразователей. Нитрид алюминия (A1N) - прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 6,2 эВ являясь перспективным материалом для создания солнечнослепых фотоприемных устройств в ультрафиолетовой области (200-280 нм) ультрафиолетового диапазона, позволяет обеспечить естественную селективность. Результатом интенсивных исследований A1N стала разработка фотоприемных устройств планарной конструкции. Попытки создания многослойных фотоприемников (сэндвич-структуры) наталкиваются на ряд проблем, основной из которых является обеспечение сплошности и однородности тонких пленок A1N на неориентирующих подложках. Тем не менее, в последние время акцент исследований смещается в сторону многослойных структур, позволяющих реализовать активные фотоприемники с большим коэффициентом усиления при существенном упрощении их технологии.

При обеспечении определенных условий удается формировать высокотекстурированные пленки A1N с наноразмерной столбчатой структурой (диаметр кристаллитов 20-50 нм). В этом случае тонкие пленки нитрида алюминия обладают рядом специфических свойств, таких как спонтанная поляризация, пьезоэлектрический отклик. Используя тексту-рированные, т. е. с определенной ориентацией кристаллитов, пленки как функциональные слои в многослойных фотоприемных структурах, можно ожидать проявление в их характеристиках подобных эффектов. Нитрид алюминия, обладающий структурой вюрцита, кристаллическая решетка которого относится к группе симметрии C6V6, должен проявлять пъезоэффект вдоль полярной оси С. В этом смысле особый интерес представляет синтез текстурированных пленок A1N с ориентацией полярной оси С перпендикулярно поверхности подложки. В работе [2] исследовались пленки нитрида алюминия, сформированные на тонких пленках нитрид титана, которые выступают в качестве эффективного нижнего электрода, обеспечивают рост сплошной, текстуры AlN и формируют к ней омический контакт. Обнаружено наличие встроенного поля пьезоэлектрического заряда в механически напряженных пленках нитрида алюминия, величина которого зависит от их толщины и показана возможность локальной модуляции пьезоотклика в пленках нитрида алюминия за счет приложения напряжения между кантеливером и нижним электродом. При воздействии ультрафиолетового излучения с длиной волны 265 нм эффект исчезает и параметры пьезоотклика в модулированной области пленки нитрида алюминия возвращаются к исходному состоянию. Этим встроенным полем обусловлено появление фототока в режиме короткого замыкания и сдвиг вольт-амперных характеристик многослойных структур металл/нитрид алюминия/нитрид титана.

Обнаружен эффект фотопамяти в структуре металл/AlN/TiN, обусловленный фотостимулированной миграционной поляризацией, который позволяет изменять величину и форму импульса фототока короткого замыкания в зависимости от времени экспозиции и величины и знака приложенного напряжения смещения.

Соединения, образующиеся в системе SiC-AlN, отличаются от традиционных полупроводников большей стой­костью к механическому и радиационному воздействиям. В них путем изменения состава возможно в широких пределах управлять оптическими, электрическими и структур­ными свойствами. Поэтому  исследования, направленные на изучение механизма формирования новых ши­рокозонных полупроводниковых твердых растворов на основе SiC и AlN, зависимостей электрических, оптических, механических свойств, структуры и морфологии от методов их получения имеет важное практическое значение.  В работе [3] были проведены исследования образцов твердых растворов основе карбида кремния (SiC) и нитрида алюминия (AlN) на карбид кремниевых подложках. Целью работы является исследование морфологии и проведение качественного химического анализа.

Изображение морфологии поверхности пленки и эпитаксивльный слой представлены на рис.1.4 и 1.5.

Химический анализ ступенчатого травления образцов показал, что содержание АlN на глубине 800 нм уменьшается до нуля. По данным сравнения спектров в различных областях видно, что уже на второй ступени травления AlN отсутствует. В спектре состава  прилегающей к ступенькам области обнаружено наличие Si, C, N, и Al. Анализ рельефа показал наличие областей бурного роста, высота которых составляет до 50 мкм и областей, где толщина напыленного слоя не достигает и 800 нм.

Нитрид алюминия является эффективным материалом при создании буферных слоев на кремниевой подложке для приборов нитрид-галлиевой оптоэлектроники, параметры которых в сильной степени зависят от качества эпитаксиальных слоев AlN, которые, в свою очередь, во многом  пределяется химическим составом и кристаллической структурой подложки. AlN   выращивают магнетронным распылением [4], пульсирующим лазерным осаждением (PLD), а также методами молекулярно-пучковой (MBE), газофазной из металлоорганических соединений (MOCVD) и хлоридной газофазной  (HVPE) эпитаксиями. Подложками для роста пленок AlN, как правило, являются монокристаллы карбида кремния, сапфира [5] и кремния. Как известно, параметры решеток и кристаллов AlN и SiC различаются  примерно на 1%, AlN и сапфира — на 14%, а AlN и Si — на 23% [1]. Существенное отличие и в коэффициентах термического расширения решеток AlN, Al2O3, и Si: (6.2, 9.4 и 3.8) · 10−6 K−1 выдвигает дополнительный аргумент в пользу использования карбида кремния в качестве подложки для выращивания слоев AlN. Высокая стоимость подложек SiC вынуждает исследователей прикладывать усилия для создания низкодефектных слоев AlN на наиболее дешевой подложке Si. В работе [6] предложен и экспериментально реализован новый подход к созданию методом хлоридной газофазной эпитаксии слоев AlN толщиной 0.1−10 μm на кремниевой подложке за счет формирования промежуточных тонких слоев (100 nm) карбида кремния SiC, проведено сравнительное изучение структурных особенностей слоев нитрида алюминия, выращенных на кремниевой подложке, как с промежуточным слоем SiC, так и без него. Показано, что использование промежуточных слоев и низких скоростей роста в методе позволяет вырастить качественные слои нитрида алюминия на кремниевой подложке.        

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

§ 1. Объекты исследования.

В качестве объектов исследований использовались пленки карбида кремния, эпитаксиально нанесенные на пластины кремния (структура SiC/Si) и гетероструктуры Pt/AlN/SiC/Si. Поверхность структуры Pt/AlN/SiC/Si получена с использованием микроскопа в отраженном свете и представлена на рис.2.1

Рис.2.1 Поверхность структуры Pt/AlN/SiC/Si. В левом верхнем углу платиновый электрод.

Толщины слоев SiC порядка 100-200 нм и AlN 200-1000 нм. На поверхность нитрида алюминия напылены платиновые электроды размером 330х360 мкм (рис.2.2)

Рис.2.2 Платиновый электрод

Таким образом, исследуемые гетероструктуры представляли собой конденсаторы с верхним платиновым электродом, нижним электродом служила структура SiC/Si.

§ 2. Измерение диэлектрических характеристик

Перед началом исследований были созданы схемы расположения конденсаторных структур на поверхности пленки, включающие в себя координаты всех электродов, электрическое состояние которых контролировалось по величине емкости, определенной с помощью универсального измерителя Е7-8 на частоте 1 кГц и измерителя иммитанса Е7-20, который позволял производить измерения в широком частотной диапазоне (20 – 10 6Гц), при различных измерительных напряжениях и в смещающих постоянных полях. Для измерений пленка ЦТС закреплялась на столике в специальном держателе (рис.3), который позволял, перемещаясь в 2-х координатных плоскостях с шагом 0,01 мм, тонкой иглой осуществлять контакт с верхними электродами. Другая игла фиксировалась на нижнем электроде.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки рассчитывалась по формуле плоского конденсатора

,                                                          (1)

где С – емкость пленки, d – ее толщина, S – площадь электродов, 0 –электрическая постоянная = 8,8510-12 Ф/м. 

§ 3. Метод динамического пироэффекта.

В качестве метода, позволяющего исследовать электрическое состояние пленок использовался динамический метод.

Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.4.

Периодически модулированный импульсами прямоугольной формы с частотой 24 Гц тепловой (световой)  поток, в качестве источника которого использовался гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,63 мкм или осветитель ОИ-24, фокусируется собирающей линзой на верхнем электроде пленки в пятно диаметром 0,5 мм. Возникающий на металлизированных поверхностях пленки сигнал снимался с последовательно включенного с ней омического сопротивления. Электрический сигнал после усиления широкополосным усилителем (У4-28) с коэффициентом усиления 102 или операционным усилителем (250 МОм) фиксировался внешним индикатором (двухлучевым осциллографом С1-55). Контроль за фазой модулированного теплового потока осуществлялся с помощью фотодиода, сигнал с которого подается на другой вход осциллографа. Электрический отклик, подаваемый на второй вход осциллографа, сопоставлялся с опорным сигналом, снимаемым с фотодиода. Для оцифровки выходного сигнала с усилителя и опорного сигнала, снимаемого с фотодиода, использовалась плата сбора данных Ла-н150-14PCI, на которую они подавались через 2 независимых аналого-цифровых канала.