Теоретическое и экспериментальное исследование эффектов объемной неустойчивости в нитевидных нанокристаллах нитрида галлия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Можаров Алексей Михайлович

• Можаров Алексей Михайлович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Можаров Алексей Михайлович

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Полупроводниковые генераторы СВЧ излучения

Глава 2. Численное моделирование работы диода Ганна на основе GaN ННК

2.1. Введение к главе

2.2. Моделирование транспортных свойств GaN ННК

2.2.1. Расчет кинетических параметров объемного нитрида галлия

2.2.2. Одномерный расчет транспортных характеристик диода

2.2.3. Учет влияния поверхностных состояний на протекание тока через ННК

2.3. Моделирование процесса теплоотвода от ННК

2.4. Заключение к разделу

Глава 3. Создание структур на основе GaN ННК

3.1. Введение в раздел

3.2. Синтез GaN ННК методом молекулярно-пучковой эпитаксии

3.2.1. Подготовка кремниевых подложек к процессу МПЭ синтеза

3.2.2. Исследование влияния параметров технологических параметров МПЭ на структуру массивов GaN ННК

3.2.3. Влияние потока кремния на морфологию и уровень легирования GaN ННК

3.2.4. Синтез массивов GaN ННК в n+ - n - n+ геометрии

3.3. Постростовая обработка синтезированных структур GaN ННК

3.4. Заключение к разделу

Глава 4. Исследование структур с объемной неустойчивостью на основе одиночных GaN ННК

4.1. Введение в раздел

4.2. Измерение вольт-амперных характеристик сформированных экспериментальных образцов

4.3. Заключение к разделу

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материалам

Приложение (основные публикации по теме диссертационной работы)

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое и экспериментальное исследование эффектов объемной неустойчивости в нитевидных нанокристаллах нитрида галлия»

Актуальность темы

Работа посвящена созданию и исследованию приборов с объемной неустойчивостью носителей заряда на основе эпитаксиальных нитевидных нанокристаллов нитрида галлия ^аЫ ННК). В следствие объемной неустойчивости, возникающей в полупроводниковом материале, может образовываться стабильные токопроводящие каналы (токовые шнуры) между контактными слоями, что наблюдается, например, в динисторах или тиристорах, или поперечно ориентированные по отношению к контактным слоям, области повышенного или пониженного сопротивления (доменная неустойчивость), что наблюдается в диодах Ганна [1]. Одной из основных характерных особенностей данных приборов является возникновение области отрицательной дифференциальной проводимости на вольт-амперных характеристиках, что используется при построении электронных ключей, генераторов и усилителей переменного напряжения и тока [2].

Несмотря на практическую значимость и широкий ряд нерешенных научно-технических задач систем связи, томографии и спектроскопии субтерагерцового и терагерцового частотного диапазона, отсутствие эффективных и компактных источников электромагнитных колебаний в указанном диапазоне (так называемая «ТГц щель») ограничивает развитие данной научно-технической сферы [3]. При этом, развитие технологии современных компактных генераторов электромагнитного излучения, требует как разработки новых материалов для создания прибора так и поиска технологических подходов, существенно усложняющих конструкцию прибора.

Диод Ганна является одним из основных источников электромагнитных колебаний, преобразующий постоянный ток в сверхвысокочастотные (СВЧ)

колебания тока за счет междолинных переходов электронов в зоне проводимости. Предельная рабочая частота для существующих на сегодняшний момент диодов ограничена величиной 200 ГГц, что связано с фундаментальными ограничениями материалов, используемых для создания активной области диода (GaAs, InP) [1]. Применение GaN в качестве активной области, в следствие особенностей материальных параметров GaN, может позволить повысить рабочую частоту диода вплоть до 1 ТГц [4 - 7], что частично перекроет диапазон «ТГц щели».

[1] Зи С. Физика полупроводниковых приборов //2-е изд-во Мир. - 1984. -С. 456.

[2] Кулешов В. Н. Генерирование колебаний и формирование сигналов //Издательский дом МЭИ. — 2008. — С. 419.

[3] Song H. J., Nagatsuma T. (ed.). Handbook of terahertz technologies: devices and applications. - CRC press, 2015.

[4] Martinez E. J. Next Generation of Terahertz Sources and Detectors //Proc. 11th International Symposium on Space Terahertz Technology. - 2000.

[5] Gelmont B., Kim K., Shur M. Monte Carlo simulation of electron transport in gallium nitride //Journal of applied physics. - 1993. - Т. 74. - №. 3. - С. 1818-1821.

[6] Alekseev E. et al. GaN-based NDR devices for THz generation //Proc. of the Eleventh Int. Symp. on Space Terahertz Technology. - 2000. - Т. 162.

[7] Yang L., Hao Y., Zhang J. Use of AlGaN in the notch region of GaN Gunn diodes //Applied Physics Letters. - 2009. - Т. 95. - №. 14. - С. 143507.

Цель работы: теоретическое описание режимов работы структур с объемной электронной неустойчивостью на основе одиночных нитевидных нанокристаллов нитрида галлия, учитывающее двухзонную модель электронов в

зоне проводимости, и экспериментальное создание структур для исследования диодов Ганна.

Задачи работы:

1. Проведение теоретического исследования режимов работы диода Ганна для выявления структурных параметров, обеспечивающих стабильную работу прибора:

1.1. Построение математической модели, описывающей процессы междолинного перехода носителей заряда

1.2. Полупроводниковое моделирование работы диода Ганна в п+ — п — п+ геометрии

1.3. Исследование влияния поверхности или поверхностных эффектов на механизм объемной неустойчивости и режимы работы приборной структуры

1.4. Проведение теплового расчета работы диодной структуры, оптимизация конструкции приборной структуры по результатам теплового расчёта путем введения дополнительных теплоотводящих слоев.

2. Развитие методов синтеза эпитаксиальных массивов нитевидных нанокристаллов нитрида галлия с заданной морфологией и профилем легирования, соответствующей результатам оптимизации численной модели

3. Формирование экспериментальных диодных структур на основе одиночных ННК, отделенных от ростовой подложки.

4. Измерение и исследование вольт-амперных характеристик сформированных структур для выявления участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Методы создания и исследования

1. Численное моделирование при помощи программных продуктов Silvaco ТСЛО и Comsol Multiphysics

2. Молекулярно-пучковая эпитаксия

3. Фотолюминесценция

4. Лазерная литография

5. Термическое напыление металлов в вакууме

6. Магнетронное распыление

7. Плазмохимическое осаждение из газовой фазы

8. Плазмохимическое травление

9. Эллипсометрия

10. Оптическая микроскопия

11. Сканирующая электронная микроскопия

12. Импульсное измерение вольт-амперных характеристик

Научная новизна работы

Предложена и впервые использована двухзонная модель электронов в зоне проводимости для численного моделирования работы диода Ганна, обеспечивающая корректный учет междолинных переходов электронов для количественного описания эффекта Ганна.

С помощью методов численного моделирования продемонстрирована теоретическая возможность создания генератора электромагнитных колебаний на основе одиночного GaN ННК с рабочей частотой более 1 ТГц.

Впервые учтено наличие зарядовых состояний на боковой поверхности ННК на режимы работы диода Ганна на основе одиночного GaN ННК.

Развиты постростовые методы для создания диода Ганна на основе одиночного GaN ННК, отделенного от ростовой подложки и перенесенного на подложку-носитель с оптимизированной конструкцией теплоотводящих слоев.

Проведены исследования протекания тока через одиночные GaN ННК при приложении высоких значений электрического поля (более 10 В/мкм).

Впервые на вольт-амперных характеристиках одиночных GaN ННК экспериментально обнаружена область отрицательной дифференциальной проводимости, ассоциированная с проявлением эффекта Ганна.

Впервые через одиночный GaN ННК, покрытый электроизолирующим теплоотводом, пропущен ток с плотностью более 7 МА/см2 без разрушения структуры.

Теоретическая и практическая значимость работы

Проведено численное моделирование работы диода Ганна на основе GaN с использованием предложенной двухзонной модели электронов в зоне проводимости, обеспечивающей учет междолинных переходов электронов.

Проведено исследование влияния затравочного слоя на процесс синтеза нитевидных нанокристаллов нитрида галлия (GaN ННК) на морфологию синтезированного массива ННК.

Проведено исследование влияния легирующей примеси кремния на морфологию GaN ННК.

Проведено исследования влияния легирующей примеси кремния на электрические свойства GaN ННК при приложении высоких электрических полей (более 5 В/мкм).

С помощью методов численного моделирования определены материалы и оптимальная с точки зрения тепловой нагрузки геометрия приборной структуры, позволяющая ограничить температуру и предотвратить разрушение ННК при плотностях тока более 7 МА/см2. Экспериментально продемонстрирована эффективность выбранной геометрии.

Положения выносимые на защиту

1. В соответствии с результатами теоретического анализа диод Ганна на основе нитрида галлия ^аХ) обеспечивает формирование СВЧ колебаний тока. При длине активной области равной 1 мкм и уровне легирования 1018 см-3 частота генерации составляет 200 ГГц с эффективностью 21%. Уменьшение длины активной области до 200 нм обеспечивает увеличение частоты генерации до 1 ТГц, при этом наблюдается падение эффективности до 3%.

2. Приложение электрического поля с плотностью выше критической к нитевидному нанокристаллу (ННК) нитрида галлия приводит к расширению канала проводимости ННК, ограниченного областью пространственного заряда на боковой поверхности ННК, сформированного локализованными состояниями в запрещенной зоне. Увеличение диаметра или уровня легирования ННК вплоть до порога растворимости легирующей примеси приводит к росту относительной площади проводящего канала. В соответствии с результатами численного моделирования для ННК диаметром 100 нм с уровнем легирования 31017 см-3, плотностью состояний не более 5-1011 см-2 и энергией 550 мэВ относительно дна зоны проводимости, при приложении напряженности поля выше 12 В/мкм

наблюдается увеличение площади проводящего канала не менее, чем до 50 % от площади сечения ННК.

3. В соответствии с результатами численного моделирования стационарная работа структуры с объемной неустойчивостью на основе одиночного нитевидного нанокристалла нитрида галлия диаметром до 100 нм и длиной активной области до 1 мкм с металлическими контактами, расположенного на кремниевой подложке с 50 нм слоем нитрида кремния, приводит к разогреву структуры до 220 oC относительно температуры подложки. Использование дополнительного верхнего теплоотводящего слоя из нитрида кремния толщиной более 200 нм обеспечивает снижение данного значения до 120 oC.

4. В одиночных нитевидных нанокристаллах нитрида галлия, синтезированных в n+ - n - n+ геометрии с собственным уровнем легирования активной области, перенесенных на подложку высокочистого кремния со слоем нитрида кремния толщиной 50 нм, сформированными контактами на основе материалов Ti/Au, при температуре окружающей среды близкой к температуре жидкого азота экспериментально наблюдается возникновение области с отрицательной дифференциальной проводимостью на вольт-амперных характеристиках.

Апробация работы

Основные результаты исследований, представленные в диссертации, обсуждались на следующих конференциях:

3rd/4th/5th/6th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2016/2017/2018/2019", март-апрель 2016-2019 гг. Санкт-Петербург,

25/26 International symposium "Nanostructures: Physics and Technology", июнь 2017, Санкт-Петербург, июль 2018, Минск.

19/20 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, ноябрь 2017-2018 гг., Санкт-Петербург,

14 Российская конференция по физике полупроводников, сентябрь 2019 г, Новосибирск.

Полученные результаты интеллектуальной деятельности защищены патентом РФ на изобретение № 0002711824 от 22.01.2020. Подана заявка о выдаче патента на изобретение № 2019110935 от 11.04.2019.

Достоверность научных достижений обеспечивается использованием апробированных программных пакетов для проведения численного моделирования с выбором корректных с физической точки зрения граничных условий и размеров пространственных и временных сеток разбиения в методе конечных элементов, обеспечивающих сходимость численного решения систем уравнений. Результаты экспериментальных измерений многократно воспроизводятся для серии образцов. Полученные экспериментальные данные подвергаются статистической обработке. Имеется согласование между расчетными и экспериментальными данными. Результаты диссертации представлены на международных и всероссийских конференциях, а также опубликованы в журналах, входящих в базы цитирования ВАК, РИНЦ, Scopus и WoS, в том числе журналах первого квартиля.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в создании новой модели для численного расчета эффектов, связанных с быстрыми междолинными переходами в полупроводниковых материалах; в проведении численного анализа работы диода Ганна на основе одиночного GaN ННК, включающего исследование процессов протекания заряда через ННК, влияние поверхностных состояний на ширину канала проводимости ННК и учет разогрева активной области ННК; синтез массивов GaN ННК методом молекулярно-пучковой эпитаксии, включая исследование влияния затравочных слоев и потока легирующей примеси на морфологию и уровень легирования ННК; создание экспериментальных образцов на основе одиночных ННК и измерение импульсных вольт-амперных характеристик одиночных ННК при подаче высоких электрических полей. Интерпретация теоретических и экспериментальных данных проведена лично автором или совместно с соавторами. Все вошедшие оригинальные результаты получены либо автором диссертации, либо при его непосредственном участии.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 21 научной работе, в том числе 20 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus и соответствующих требованиям ВАК, 1 публикация не из перечня ВАК, 1 охранный документ на результат интеллектуальной деятельности.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Текст диссертации изложен на 205 страницах, содержит 30 формул, 36 рисунков и 0 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи диссертационной работы, дана оценка ее научной и практической значимости.

Первая глава работы «Полупроводниковые генераторы СВЧ излучения» содержит обзор литературы по полупроводниковым генераторам СВЧ колебаний, экспериментальным и теоретическим работам, определяющим область исследований, мировых тенденций развития в области создания активной области диода Ганна на основе нитрида галлия, а также рассмотрены методы синтеза нитрида галлия.

Во второй главе «Численное моделирование работы диода Ганна на основе GaN ННК» представлены собственные результаты по нестационарному теоретическому расчету протекания тока через GaN в п+ - п - п+ геометрии, стационарному расчету влияния состояний в запрещенной зоне, находящихся на боковой поверхности ННК, на проводимость GaN ННК, а также трехмерному стационарному тепловому расчету для определения требований к подложке, теплоотводу, длине и диаметру ННК для ограничения температуры ННК во время работы и предотвращения его разрушения. Процесс численного моделирования проводился в пакете Comsol Multiphysics. При проведении численного моделирования выбирались корректные с физической точки зрения граничные условия и размеры пространственных и временных сеток разбиения в методе конечных элементов, что обеспечивает сходимость полученных решений системы уравнений.

Предложена математическая модель для описания эффекта Ганна, впервые учитывающая многодолинность зоны проводимости. Модель основана на решении стандартных уравнений Пуассона, уравнения непрерывности и дрейфово-диффузионного выражения для потока носителей заряда, записанная для каждого типа электронов с добавлением слагаемых, описывающих переход

электронов между долинами. Сформулированная в таком виде система уравнений является устойчивой при описании перемещения каждого типа электронов и описывает длину и форму формируемого дипольного домена.

На основании сформулированной математической модели в программе было проведено одномерное нестационарное моделирование протекания тока через диод Ганна на основе GaN, базовой (модельной) конструкции включающей активную область и два эмиттерных слоя (п+ - п - п+) при различных уровнях легирования и длине активной области. Зависимость эффективности и частоты СВЧ колебаний от длины активной области и приложенной к эмиттерами напряженности электрического поля выше критической (пороговой) величины 12 В/мкм для двух характерных уровней легирования активной области представлена на рисунке 1.

XX

XX

XX

X

X

X

X

X

X

X

хххх

17.5

••е

15.0

л

1-

12.5 и

о

I

10.0 со

^

1-

7.5 ^

ш

5.0 6-

-8-

2.5 (Т)

а

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Длина активной области, мкм

б

в г

Рисунок 1 — Эффективность работы диода (а,б) и рабочая эффективная частота диода (в,г) с уровнем легирования активной области 1018 см-3 и 2.51017 см-3 в зависимости от длины активной области и напряженности приложенного к

эмиттерам электрического поля.

В ходе анализа данных проведенного моделирования установлено, что длина, уровень легирования активной области и напряженность поля, приложенная к диоду, определяют эффективность СВЧ генерации и рабочую частоту диода. При этом, отмечено, что эффективность преобразования постоянного тока в СВЧ сигнал увеличивается с ростом уровня легирования. Частота СВЧ генерации увеличивается с уменьшением длины активной области

диода, что связано с уменьшением времени пролета домена тяжелых электронов верхней долины зоны проводимости через активную область. Оптимальное значение относительной напряженности поля, обеспечивающее максимальное значение эффективности СВЧ сигнала, составляет (1.4 - 1.7)-Ест или 17 - 20 В/мкм, где Ест - пороговое значение, равное 12 В/мкм. При этом возможна реализация режима работы диода с эффективностью 20 % и частотой 150 - 250 ГГц при уровне легирования 1018 см-3 и длине активной области 0.4 - 1 мкм. Уменьшение длины активной области до 0.2 мкм приводит к увеличению частоты генерации до 1 ТГц, но падению эффективности преобразования до 3 %.

Хорошо известно, что наличие состояний в запрещенной зоне на боковой поверхности ННК приводят к захвату основных носителей на боковую поверхность и формированию поверхностной области пространственного заряда (ОПЗ), уменьшающего диаметр канала проводимости в сечении ННК. При этом, ширина ОПЗ непосредственно связана с соотношением поперечных диффузионной и дрейфовой компонент тока, что приводит к уменьшению ширины ОПЗ при увеличении кинетической энергии электронов и росту диффузионной составляющей поперечного тока.

В данной работе проведено стационарное моделирование распределения электронов в сечении ННК при приложении электрического поля. Энергия локализации и плотность поверхностных состояний, согласно литературным данным для GaN, были выбраны равными 0.55 эВ и 5-1011 см-2, соответственно. В качестве кинетической энергии использовалась зависимость средней кинетической энергии электронов от напряженности электрического поля. Результаты моделирования протекания тока для GaN ННК с уровнем легирования активной области, равным 31017 см-3, представлены на рисунке 2.

а

б

вг Рисунок 2 — График распределения электронов в сечении ННК диаметром 50 нм при нулевой напряженности поля (а), при 12 В/мкм (б), график зависимости плотности тока (г) и фактора заполнения (г) в зависимости от диаметра ННК

В результате проведенного моделирования установлено, что при превышении напряженности электрического поля более 12 В/мкм происходит рост плотности протекающего тока (рисунок 2в) и фактора заполнения (рисунок 2г), который выражает долю площади сечения ННК, участвующую в проводимости, что связано с увеличением кинетической энергии электронов и уменьшением ширины ОПЗ, что сопровождается ростом диаметра проводящего канала (рисунок 2а,б). При этом, для ННК диаметром более 100 нм фактор

заполнения составляет не менее 50 %. Также установлено, что увеличение диаметра ННК приводит к росту фактора заполнения ННК без приложения электрического поля, что согласуется с литературными экспериментальными данными.

Для определения температурного режима работы диода Ганна на основе одиночных GaN ННК был проведен трехмерный стационарный тепловой расчет отвода тепла от активной области ННК. Была рассмотрена система, состоящая из ННК диаметром 100 - 200 нм и длиной активной области 0.2 - 1 мкм, лежащего одной гранью на теплопроводящей электроизоляционной подложке (рисунок 3). К эмиттерным слоям были сформированы контакты из золота. Верхняя часть системы была окружена воздухом.

Рисунок 3 — Схематичное трехмерное изображение исследуемой структуры (а) и вид в сечении (б). ННК (синий) с сформированными к нему контактами (золотой) лежит на подложке-носителе (светло-коричневый).

В процессе теплового расчета были рассмотрены различные материалы подложки, такие как SiO2, Si, SiC, а также был исследован вопрос влияния тонких изоляционных слоев SiO2 и SiNx, нанесенных на поверхности Si подложки, на максимальную температуру активной области GaN ННК. Распределение температуры для ННК с активной областью длиной 1 мкм и диаметром 100 нм,

лежащий на подложке Si/SiNx (50 нм) представлен на рисунке 4а. Зависимость максимальной температуры диодной структуры от материалов и параметров теплоотвода представлена на рисунке 4б.

Контакты

СаЫ ННК

Подложка

ина активной области

аб Рисунок 4 — Распределение температуры в системе GaN ННК / контакты / подложка в сечении вдоль ННК (а), максимальная температура активной области для различных подложек, диаметров ННК и длины активной области

диода (б).

Как можно видеть на рисунке 4а, максимальная температура в активной области ННК достигается в середине активной области в верхней части ННК, т.е. в области, обладающей наибольшим общим тепловым сопротивлением. Анализ результатов теплового расчета (рисунок 4б) показывает, что использование подложки SiO2 или Si/SiO2 приводит к сильному разогреву ННК при длине активной области более 0.6 мкм и диаметру ННК более 100 нм, что может привести к разрушению ННК. Использование высокоочищенных подложек Si и SiC обеспечивает ограничение температуры ННК длиной до 1 мкм и диаметром 100 нм на уровне 150°С. При этом стоит учитывать, что высокоочищенные подложки Si, тем не менее, обладают относительно низким удельным сопротивлением (на уровне 1000 Ом-см), что может внести ограничения на

конструкции контактов структуры. Использование Si подложки с тонким 50 нм диэлектрическим слоем SiNx приводит к ухудшению теплоотвода и росту предельной температуры ННК до 220°С, но обеспечивает существенное уменьшение удельной проводимости системы Si/SiNx пропорционально плотности сквозных разрывов в слое SiNx. При этом, увеличение диаметра ННК от 100 до 200 нм для длины ННК 1 мкм приводит к росту максимальной температуры активной области от 220°С до 550°С.

Уменьшение максимальной температуры активной области ННК возможно с помощью формирования напыляемого теплоотвода сверху ННК для использования оставшихся боковых стенок ННК для дополнительного отвода тепла (рисунок 5а). При этом, как и в случае подложки, от материала теплоотвода требуется высокая теплопроводность и низкая электропроводность. В ходе теплового расчета в качестве материала верхнего теплоотводящего слоя были рассмотрены SiO2, SiNx и АШ. Значение максимальной температуры, полученное в результате моделирования, в зависимости от материала и толщины верхнего теплоотвода представлено на рисунке 5б. Как можно видеть, использование SiO2, как и в случае подложки, не приводит к эффективному отводу тепла от активной области ННК, и снижает температуру с 220°С до 205°С при толщине верхнего слоя толщиной 1 мкм. Использование SiNx или АШ в качестве материала верхнего теплоотвода приводит к существенному снижению температуры активной области уже при толщине слоя более 100 нм. Слой толщиной 1 мкм позволяет понизить максимальную температуру до 105°С в случае использования SiNx и до 80°С в случае АК

а б

Рисунок 5 — Схематическое изображение исследуемой структуры в сечении ННК (а), график зависимости максимальной температуры активной области ННК от материала и толщины теплоотводящего слоя (б).

В заключении к главе 2 даются выводы о построенной модели для описания процессов переноса электронов через активную область диода Ганна и проведенном численном моделировании. Установлено, что диод Ганна на основе GaN способен обеспечить генерацию СВЧ колебаний тока с эффективностью преобразования до 20 % при частоте до 200 ГГц и с эффективностью 3 % при частоте до 1 ТГц. Эффект влияния состояний на боковой поверхности ННК на ограничение ширины проводящего канала ННК частично компенсируется при повышении напряженности электрического поля до значений, необходимых для проявления эффекта Ганна. Для предотвращения термического разрушения ННК необходимо использовать изолированную диэлектрическую подложку, такую как кремний с нанесенным слоем SiNx. Использование верхнего диэлектрического теплоотвода позволяет дополнительно понизить температуру диода.

В третьей главе «Создание структур на основе GaN ННК» приводятся результаты исследования синтеза GaN ННК с заданным профилем легирования

(п+ - п - п+) методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), а также результаты создания экспериментальных образцов для проведения измерений вольт-амперных характеристик.

В ходе работы была проведена серия ростовых экспериментов, направленная на исследование влияния затравочного слоя на морфологию синтезируемых GaN ННК на 3-х дюймовых Si(111) подложке. В качестве затравочных слоев были использованы слои SiNx, АШ, GaOx, а также субмонослойные и 2х монослойные (МС) слои Ga. Формирование затравочных слоев проводилось в установке МПЭ непосредственно перед процессом синтеза. Формирование слоя GaOx проводилось на поверхности предварительно очищенной подложки Si с помощью метода плазмохимического осаждения до проведения МПЭ синтеза. На рисунке 6 представлены изображения структур, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием затравочных слоев SiN, АШ и 0.3 МС Ga, а также без затравочного слоя

а

б

вг Рисунок 6 — СЭМ изображения выращенных структур ННК: вид сверху и вид под углом 90°. Массивы GaN ННК, выращенные на затравочных слоях: Si (а), SiNx (б), АШ (в), 0.3 МС Ga (г). Метка на изображениях соответствует 400 нм.

На основании проведенных исследований был сделан вывод о том, что массивы GaN ННК, выращенные на затравочных слоях АШ и 0.3 МС Ga, обладают наибольшей однородностью и высокой скоростью роста при сохранении вертикальности, что необходимо для создания приборов с объемной неустойчивостью на основе GaN ННК с заданным профилем легирования (п+ - п - п+).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Можаров Алексей Михайлович, 2020 год

Список литературы

1 Кулешов В. Н. Генерирование колебаний и формирование сигналов //Издательский дом МЭИ. — 2008. — С. 419.

2 Федоров Н. Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы //М.: Атомиздат. - 1979. - С. 127-135.

3Komandin G. A. et al. BWO generators for terahertz dielectric measurements //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2013. - Т. 3. - №. 4. - С. 440-444.

4 Perov A. N. et al. BWO based THz imaging system //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2014. - Т. 486. - №. 1. - С. 012027.

5 Song H. J., Nagatsuma T. (ed.). Handbook of terahertz technologies: devices and applications. - CRC press, 2015.

6 Данилов В. С. Микроэлектроника СВЧ // Изд-во НГТУ. - 2007. - С. 292.

7 Фролов В. А. Электронная техника //Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - 2015. - С. 532.

8 Popov V. Resonant Tunneling and Two-dimensional Gate Transistors //Different Types of Field-Effect Transistors: Theory and Applications. - 2017. - С. 27.

9 Encomendero J. et al. New tunneling features in polar III-nitride resonant tunneling diodes //Physical Review X. - 2017. - Т. 7. - №. 4. - С. 041017.

10 Suzuki S. et al. Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 THz at room temperature //Applied Physics Letters. - 2010. - Т. 97. - №. 24. - С. 242102.

11 Kasagi K., Suzuki S., Asada M. Large-scale array of resonant-tunneling-diode terahertz oscillators for high output power at 1 THz //Journal of Applied Physics. - 2019. - Т. 125. - №. 15. - С. 151601.

12 Asada M., Suzuki S. Resonant-tunneling-diode terahertz oscillators and applications //2016 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). - IEEE, 2016. - С. 29.3. 1-29.3. 4.

13 Зи С. Физика полупроводниковых приборов //2-е изд-во Мир. - 1984. -С. 456.

14 Tschernitz M., Freyer J. 140 GHz GaAs double-read IMPATT diodes //Electronics Letters. - 1995. - Т. 31. - №. 7. - С. 582-583.

15 Pattanaik S. R., Mishra J. K., Dash G. N. A new mm-wave GaAs~ Ga0. 52In0. 48P heterojunction IMPATT diode //IETE Journal of Research. - 2011. - Т. 57. - №. 4. - С. 351-356.

16 Li X. et al. GaN/Al x Ga 1- x N/GaN heterostructure IMPATT diode for D-band applications //Applied Physics A. - 2019. - Т. 125. - №. 3. - С. 205.

17 Jha K. R., Singh G. Terahertz planar antennas for next generation communication. - Springer International Publishing, 2014. - С. 1-4.

18 Mukherjee P., Gupta B. Terahertz (THz) frequency sources and antennas-A brief review //International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 2008. - Т. 29. -№. 12. - С. 1091-1102.

19 Wu T. Performance of GaN Schottky contact MITATT diode at terahertz frequency //electronics letters. - 2008. - Т. 44. - №. 14. - С. 883-884.

20 Gunn J. B. Microwave oscillations of current in III-V semiconductors //Solid State Communications. - 1963. - Т. 1. - №. 4. - С. 88-91.

21 Федоров Н. Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы //М.: Атомиздат. - 1979. - С. 127-135.

22 Бланк Т. В., Гольдберг Ю. А. Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник //Физика и техника полупроводников. - 2007. -Т. 41. - №. 11. - С. 1281-1308.

23 Alekseev E., Pavlidis D. Microwave potential of GaN-based Gunn devices // Electronics Letters. - 2000. - Т. 36. - №. 2. - С. 176-178.

24 Eisele H., Rydberg A., Haddad G. I. Recent advances in the performance of InP Gunn devices and GaAs TUNNETT diodes for the 100-300-GHz frequency range and above //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2000. - Т. 48. - №. 4. - С. 626-631.

25 Crowley J. D. et al. 140 GHz indium phosphide Gunn diode //Electronics Letters. - 1994. - Т. 30. - №. 6. - С. 499-500.

26 Foutz B. E. et al. Comparison of high field electron transport in GaN and GaAs //Applied physics letters. - 1997. - Т. 70. - №. 21. - С. 2849-2851.

27 Martinez E. J. Next Generation of Terahertz Sources and Detectors //Proc. 11th International Symposium on Space Terahertz Technology. - 2000.

28 Morkoç H. Handbook of Nitride Semiconductors and Devices //Handbook of Nitride Semiconductors and Devices. Wiley, - 2009. - Т. 1. - С. 1-1255.

29 Kente T., Mhlanga S. D. Gallium nitride nanostructures: Synthesis, characterization and applications //Journal of Crystal Growth. - 2016. - Т. 444. - С. 5572.

30 Bhapkar U. V., Shur M. S. Monte Carlo calculation of velocity-field characteristics of wurtzite GaN //Journal of Applied Physics. - 1997. - Т. 82. - №. 4. -С. 1649-1655.

31 Gelmont B., Kim K., Shur M. Monte Carlo simulation of electron transport in gallium nitride //Journal of applied physics. - 1993. - Т. 74. - №. 3. - С. 1818-1821.

32 Huang Z. C. et al. Direct observation of transferred-electron effect in GaN // Applied physics letters. - 1995. - T. 67. - №. 19. - C. 2825-2826.

33 Alekseev E., Pavlidis D. GaN Gunn diodes for THz signal generation //2000 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (Cat. No. 00CH37017). -IEEE, 2000. - T. 3. - C. 1905-1908.

34 Alekseev E. et al. GaN-based NDR devices for THz generation //Proc. of the Eleventh Int. Symp. on Space Terahertz Technology. - 2000. - T. 162.

35 Yilmazoglu O. et al. First observation of bias oscillations in GaN Gunn diodes on GaN substrate //IEEE transactions on electron devices. - 2008. - T. 55. - №. 6. - C. 1563-1567.

36 Yilmazoglu O. et al. Measured negative differential resistivity for GaN Gunn diodes on GaN substrate //Electronics Letters. - 2007. - T. 43. - №. 8. - C. 480-482.

37 Mutamba K. et al. Technology aspects of GaN-based diodes for high-field operation //Superlattices and Microstructures. - 2006. - T. 40. - №. 4-6. - C. 363-368.

38 Yang L., Hao Y., Zhang J. Use of AlGaN in the notch region of GaN Gunn diodes //Applied Physics Letters. - 2009. - T. 95. - №. 14. - C. 143507.

39 Yu C. et al. Use of AlGaN launcher in terahertz GaN Gunn diode //2010 10th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. -IEEE, 2010. - C. 1862-1864.

40 Yang L. A. et al. Improved negative differential mobility model of GaN and AlGaN for a terahertz Gunn diode //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2011. -T. 58. - №. 4. - C. 1076-1083.

41 Yang L. et al. Temperature effect on the submicron AlGaN/GaN Gunn diodes for terahertz frequency //Journal of applied physics. - 2011. - T. 109. - №. 2. -C.024503.

42 Yang L. et al. A comparative investigation on sub-micrometer InN and GaN Gunn diodes working at terahertz frequency //Journal of Applied Physics. - 2012. - T. 111. - №. 10. - C. 104514.

43 Li L. et al. Threading dislocation reduction in transit region of GaN terahertz Gunn diodes //Applied Physics Letters. - 2012. - T. 100. - №. 7. - C. 072104.

44 Parida R. K. et al. Characteristics of a GaN-based Gunn diode for THz signal generation //Journal of Semiconductors. - 2012. - T. 33. - №. 8. - C. 084001.

45 Wang Y. et al. Modulation of multidomain in AlGaN/GaN HEMT-like planar Gunn diode //IEEE transactions on electron devices. - 2013. - T. 60. - №. 5. - C. 1600-1606.

46 Wang Y. et al. Modulation of the domain mode in GaN-based planar Gunn diode for terahertz applications //physica status solidi (c). - 2016. - T. 13. - №. 5-6. -C. 382-385.

47 Wang Y. et al. Thermal modeling of the GaN-based Gunn diode at terahertz frequencies //Applied Sciences. - 2019. - T. 9. - №. 1. - C. 75.

48 Wang Y. et al. Thermal Analysis of AlGaN/GaN Hetero-Structural Gunn Diodes on Different Substrates Through Numerical Simulation //IEEE Journal of the Electron Devices Society. - 2020. - T. 8. - C. 134-139.

49 Hetzl M. et al. Polarity control of heteroepitaxial GaN nanowires on diamond //Nano Letters. - 2017. - T. 17. - №. 6. - C. 3582-3590.

50 Bolshakov A. D. et al. Dopant-stimulated growth of GaN nanotube-like nanostructures on Si (111) by molecular beam epitaxy //Beilstein journal of nanotechnology. - 2018. - T. 9. - №. 1. - C. 146-154.

51 Arthur Jr J. R. Interaction of Ga and As2 molecular beams with GaAs surfaces //Journal of Applied Physics. - 1968. - T. 39. - №. 8. - C. 4032-4034.

52 Cho A. Y., Arthur J. R. Molecular beam epitaxy //Progress in solid state chemistry. - 1975. - Т. 10. - С. 157-191.

53 Joyce B. A. Molecular beam epitaxy //Reports on Progress in Physics. -1985. - Т. 48. - №. 12. - С. 1637.

54 Van Roosbroeck W. Theory of the flow of electrons and holes in germanium and other semiconductors //The Bell System Technical Journal. - 1950. - Т. 29. - №. 4. - С. 560-607.

55 Boardman A. D., Fawcett W., Rees H. D. Monte Carlo calculation of the velocity-field relationship for gallium arsenide //Solid State Communications. - 1968. -Т. 6. - №. 5. - С. 305-307.

56 Lambrecht W. R. L. et al. Properties of group III nitrides //EMIS Data reviews Series, ed. by JH Edgar Chap. - 1994. - Т. 4.

57 Foutz B. E. et al. Transient electron transport in wurtzite GaN, InN, and AlN //Journal of Applied Physics. - 1999. - Т. 85. - №. 11. - С. 7727-7734.

58 Тамм И. Е. О возможности связанных состояний электронов на поверхности кристалла //Журн. экспер. и теор. физики. - 1933. - Т. 3. - С. 34-43.

59 Bulashevich K. A., Karpov S. Y. Impact of surface recombination on efficiency of III-nitride light-emitting diodes //physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. - 2016. - Т. 10. - №. 6. - С. 480-484.

60 Kamimura J. et al. p-Type doping of GaN nanowires characterized by photoelectrochemical measurements //Nano Letters. - 2017. - Т. 17. - №. 3. - С. 15291537.

61 Calarco R. et al. Size-dependent photoconductivity in MBE-grown GaN-nanowires //Nano letters. - 2005. - Т. 5. - №. 5. - С. 981-984.

62 Sanford N. A. et al. Steady-state and transient photoconductivity in c-axis GaN nanowires grown by nitrogen-plasma-assisted molecular beam epitaxy //Journal of Applied Physics. - 2010. - Т. 107. - №. 3. - С. 034318.

63 Huang Y. et al. Gallium nitride nanowire nanodevices //Nano Letters. -2002. - Т. 2. - №. 2. - С. 101-104.

64 Dhesi S. S. et al. Surface and bulk electronic structure of thin-film wurtzite GaN //Physical Review B. - 1997. - Т. 56. - №. 16. - С. 10271.

65 Levinshtein M. E., Rumyantsev S. L., Shur M. S. (ed.). Properties of Advanced Semiconductor Materials: GaN, AIN, InN, BN, SiC, SiGe. - John Wiley & Sons, 2001.

66 Rumyantsev S. L., Shur M. S., Levinshtein M. E. Materials properties of nitrides: Summary //International Journal of High Speed Electronics and Systems. -2004. - Т. 14. - №. 01. - С. 1-19.

67 Leszczynski M. et al. Thermal expansion of gallium nitride //Journal of applied physics. - 1994. - Т. 76. - №. 8. - С. 4909-4911.

68 Yim W. M., Paff R. J. Thermal expansion of AlN, sapphire, and silicon //Journal of Applied Physics. - 1974. - Т. 45. - №. 3. - С. 1456-1457.

69 Glassbrenner C. J., Slack G. A. Thermal conductivity of silicon and germanium from 3 K to the melting point //Physical Review. - 1964. - Т. 134. - №. 4A. - С. A1058.

70 Охотин А. С., Пушкарский А. С., В. В.. Горбачев. Теплофизические свойства полупроводников. - Атомиздат, 1972.

71 Sichel E. K. Thermal conductivity of GaN, 25-360 K //J. Phys. Chem. Solids. - 1977. - Т. 38. - №. 3. - С. 330-330.

72 Wang F. et al. An Experimental Study on Protein Foaming Method to Prepare Si3N4 Foams //Materials Focus. - 2016. - T. 5. - №. 6. - C. 511-516.

73 Lin H. Advanced Ceramic Heaters: How an aluminum nitride ceramic heater meets the needs of die-bond and flip chip applications //ADVANCED PACKAGING. -2007. - T. 16. - №. 3. - C. 22.

74 HIROSAKI N. et al. Effect of alignment of large grains on the thermal conductivity of self-reinforced P-silicon nitride //Journal of the Ceramic Society of Japan. - 1996. - T. 104. - №. 1216. - C. 1171-1173.

75 Hirosaki N. et al. Effect of grain growth on the thermal conductivity of silicon nitride //Journal of the Ceramic Society of Japan. - 1996. - T. 104. - №. 1205. -C. 49-53.

76 Li B. et al. Measuring the anisotropic thermal diffusivity of silicon nitride grains by thermoreflectance microscopy //Journal of the european ceramic society. -1999. - T. 19. - №. 8. - C. 1631-1639.

77 Ishizaka A., Shiraki Y. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE //Journal of the Electrochemical Society. - 1986. - T. 133. -№. 4. - C. 666.

78 Bertness K. A., Sanford N. A., Davydov A. V. GaN nanowires grown by molecular beam epitaxy //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. -2010. - T. 17. - №. 4. - C. 847-858.

79 Songmuang R., Landre O., Daudin B. From nucleation to growth of catalyst-free GaN nanowires on thin AlN buffer layer //Applied Physics Letters. - 2007. - T. 91. - №. 25. - C. 251902.

80 Sobanska M. et al. Self-assembled growth of GaN nanowires on amorphous AlxOy: from nucleation to the formation of dense nanowire ensembles //Nanotechnology. - 2016. - T. 27. - №. 32. - C. 325601.

81 Rozhavskaya M. M. et al Synthesis of GaN nano-and microwire crystals induced by a titanium nanolayer //Technical Physics Letters. - 2014. - Т. 40. - №. 5. -С. 372-374.

82 Calabrese G. et al. Molecular beam epitaxy of single crystalline GaN nanowires on a flexible Ti foil //Applied Physics Letters. - 2016. - Т. 108. - №. 20. -С.202101.

83 Kawazu A., Sakama H. Geometric structure of the Si (111)V 3xV 3-Ga surface //Physical Review B. - 1988. - Т. 37. - №. 5. - С. 2704.

84 Kumar P., Kuyyalil J., Shivaprasad S. M. Ga induced superstructures as templates for lattice matched hetroepitaxial growth of GaN on Si (111) substrate //Applied Physics Letters. - 2010. - Т. 97. - №. 22. - С. 221913.

85 Cechal J. et al. Gallium structure on the Si (111)-(7x 7) surface: influence of Ga coverage and temperature //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2006. - Т. 19. -№. 1. - С. 016011.

86 Fedorov V. V. et al. Droplet epitaxy mediated growth of GaN nanostructures on Si (111) via plasma-assisted molecular beam epitaxy //CrystEngComm. - 2018. - Т. 20. - №. 24. - С. 3370-3380.

87 Агекян В. Ф. и др. Оптические и электрические свойства микроструктур на основе GaN: Si с широким диапазоном уровней легирования //Физика твердого тела. - 2015. - Т. 57. - №. 4. - С. 768-774.

88 Burstein E. Anomalous optical absorption limit in InSb //Physical Review. -1954. - Т. 93. - №. 3. - С. 632.

89 Desai P. D. Thermodynamic properties of iron and silicon //Journal of physical and chemical reference data. - 1986. - Т. 15. - №. 3. - С. 967-983.

90 Cao X. A. et al. Effects of plasma treatment on the Ohmic characteristics of Ti/ Al/ Ti/ Au contacts to n-AlGaN //Applied physics letters. - 2006. - T. 89. - №. 8. -C.082109.

91 Lin M. E. et al. Low resistance ohmic contacts on wide band-gap GaN //Applied Physics Letters. - 1994. - T. 64. - №. 8. - C. 1003-1005.

92 Lee C. C. et al. Low resistance Ohmic contacts to n-GaN by Ar plasma and forming gas ambient treatments //Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. - 2003. - T. 21. - №. 4. - C. 1501-1504.

93 Schuette M. L., Lu W. Compositional study of copper-germanium ohmic contact to n-GaN //Journal of electronic materials. - 2007. - T. 36. - №. 4. - C. 420425.

94 Mahadik N., Rao M. V., Davydov A. V. Thermally stable Ge/Cu/Ti ohmic contacts to n-type GaN //Journal of electronic materials. - 2006. - T. 35. - №. 11. - C. 2035-2040.

95 Han Y. J. et al. Characteristics of n-GaN after Cl2/Ar and Cl2/N2 inductively coupled plasma etching //Japanese journal of applied physics. - 2003. - T. 42. - №. 10R. - C. 6409.

96 Lee J. M. et al. Dry etch damage in n-type GaN and its recovery by treatment with an N 2 plasma //Journal of Applied Physics. - 2000. - T. 87. - №. 11. -C. 7667-7670.

97 Chua S. J. et al. Vacancy effects on plasma-induced damage to n-type GaN // Physical Review B. - 2001. - T. 64. - №. 20. - C. 205302.

98 Zhu X. L. et al. 29.3: Very Bright and Efficient Top-Emitting OLED with Ultra-Thin Yb as Effective Electron Injector //SID Symposium Digest of Technical

Papers. - Oxford, UK : Blackwell Publishing Ltd, 2006. - T. 37. - №. 1. - C. 12921295.

99 Nikolic M. V. et al. The dependence of the work function of rare earth metals on their electron structure //Microelectronics journal. - 1996. - T. 27. - №. 1. -C. 93-96.

100 Lima L. P. B. et al. Titanium nitride as electrode for MOS technology and Schottky diode: Alternative extraction method of titanium nitride work function //Microelectronic Engineering. - 2012. - T. 92. - C. 86-90.

101 Vitale S. A. et al. Work-function-tuned TiN metal gate FDSOI transistors for subthreshold operation //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2010. - T. 58. - №. 2. - C. 419-426.

102 Ang S. S. Titanium nitride films with high oxygen concentration //Journal of electronic materials. - 1988. - T. 17. - №. 2. - C. 95-100.

103 Chin V. W. L., Tansley T. L., Osotchan T. Electron mobilities in gallium, indium, and aluminum nitrides //Journal of Applied Physics. - 1994. - T. 75. - №. 11. -C. 7365-7372.

104 Ardaravicius L. et al. Electron drift velocity in AlGaN/GaN channel at high electric fields //Applied physics letters. - 2003. - T. 83. - №. 19. - C. 4038-4040.

105 Ardaravicius L. et al. Threshold field for soft damage and electron drift velocity in InGaN two-dimensional channels //Semiconductor Science and Technology. - 2015. - T. 30. - №. 10. - C. 105016.

Список иллюстративного материалам

Рисунок 1 — График зависимости типичной выходной мощности от частоты для некоторых твердотельных генераторов [5]. ЛПД — лавинно-пролетный диод, ММИС — микроволновая монолитная интегральная схема, ТД -туннельный диод, РТД — резонансный туннельный диод, УДШ — умножитель на диодах Шоттки, УФП — униполярный фотодиодный преобразователь, ККЛ — квантово-каскадный лазер.

Рисунок 2 — Зонная диаграмма р-п перехода туннельного диода [7] (а), вид вольт-амперной характеристики туннельного диода [6] (б). Штрих-пунктирной линией на рисунке (б) показан инжекционный ток р-п перехода, а пунктирной линией — суммарный ток через диод.

Рисунок 3 — Зонная диаграмма резонансного туннельного диода с одной квантовой ямой (а) и вид вольт-амперной характеристики для 3х- и 5-слойной структуры (сплошная и штриховая линия соответственно) (б) [8].

Рисунок 4 — Распределение примесей (а), напряженности электрического поля (б) и эффективного коэффициента ионизации (в) при пробое в р+ - п - i - п+ диоде Рида [13].

Рисунок 5 — Зависимость дрейфовой скорости от напряженности поля для GaAs (а), энергетическая диаграмма зоны проводимости большинства прямозонных полупроводников (б) [6]

Рисунок 6 — Работа диода Ганна в пролетном режиме [21]: схематичная диаграмма активной области диода с локальным дефектом (а), распределение напряженности поля в начальный момент времени (б), распределение заряда в активной области и домене (в), распределение напряженности поля (г), падение напряжения в активной области (д).

Рисунок 7 — ВАХ диода Ганна в пролетном режиме (а) и в режиме ограниченного накопления объемного заряда (б)

Рисунок 8 — Схематическое изображение кристаллической структура GaN различной полярности [29].

Рисунок 9 — Геометрия измерительной структуры (а), измеренная ВАХ в пересчете напряжения на напряженность электрического поля (б).

Рисунок 10 — Экспериментальное исследование работы диода Ганна [35]. СЭМ изображение (а), геометрия эксперимента (б), импульсная ВАХ (в), временной отклик системы на импульсную нагрузку (г).

Рисунок 11 — Принципиальная схема установки МПЭ (а) и ГФЭ (б).

Рисунок 12 - График зависимости дрейфовой скорости электронов в нитриде галлия от приложенной напряженности электрического поля для разной концентрации носителей при 300К (а), для разной температуры при фиксированном уровне легирования 31017 см-3 (б)

Рисунок 13 — Зависимости кинетических параметров для двух подзон GaN от внешнего приложенного электрического поля: скорости электронов (а), их кинетические энергии (б), время релаксации энергии (в) и импульса (г) при 300К и концентрации примесей 31017 см-3. Пунктирной линией показана степень заполнения нижней долины.

Рисунок 14 — Схематическое изображение модели диода Ганна (а), типичны вид ВАХ диода (б)

Рисунок 15 — Зависимость плотности протекающего через ННК тока от времени (а), распределение концентрации носителей и электрического поля в активной области во время формирования, движения по активной области и разрушения домена (б-е). Сплошная черная кривая — суммарная концентрация электронов, пунктирная синяя — легких электронов, штрихованная зеленая — тяжелых электронов, штрих-пунктирная красная — напряженность электрического поля

Рисунок 16 — Эффективность работы диода (а,б) и рабочая частота диода (в,г) с активной областью длиной 1 мкм и 0.2 мкм, соответственно в зависимости от уровня легирования активной области и приложенной напряженности электрического поля

Рисунок 17 — Эффективность работы диода (а,б) и рабочая частота диода (в,г) с уровнем легирования активной области 1018 см-3 и 2.51017 см-3 в зависимости от длины активной области и начальной напряженности электрического поля

Рисунок 18 — График распределения электронов в сечении ННК диаметром 50 нм при нулевой напряженности поля (а), при 120 кВ/см (б), график зависимости плотности тока (г) и фактора заполнения (г) в зависимости от диаметра ННК

Рисунок 19 — Схематичное трехмерное изображение моделируемой структуры (а) и вид в сечении (б). ННК (синий) с сформированными к нему контактами (золотой) лежит на подложке-носителе (светло-коричневый)

Рисунок 20 — Распределение температуры в системе GaN ННК / контакты / подложка в сечении вдоль ННК (а), максимальная температура активной области для различных подложек, диаметров ННК и длины активной области диода (б)

Рисунок 21 — График зависимости максимальной температуры активной области ННК от материала и толщины теплоотводящего слоя

Рисунок 22 — СЭМ изображения выращенных структур ННК: вид сверху и вид под углом 90о. Образец 1 - ННК на Si (а,б), 2 - SiNx (в,г), 3 - АШ (д,е), 4 - Ga Ох (ж,з), 5 - 0.3 МС Ga (и,к), 6 - 0.6 МС Ga (л,м), 7 - 2 МС Ga (н,о). Размерная метка на рисунках соответствует 400 нм.

Рисунок 23 — Сравнение морфологии выращенных ННК в зависимости от типа затравочного слоя и подготовки поверхности

Рисунок 24 — Спектр фотолюминесценции при 10К для массивов GaN ННК, выращенных при разной температуре источника Si (а), график зависимости уровня легирования массивов ННК от температуры Si источника (б), СЭМ изображения ННК с неоднородным профилем легирования с легированной зоной при температуре источника кремния TSi = 1100 OC (в), СЭМ и ПЭМ изображение GaN нанотрубок, формируемых при TSi = 1160 OC (г).

Рисунок 25 — СЭМ изображения сформированных структур, образец 1 (а,б), 2 (в,г), 3 (д,е), 4 (ж,з). Метка на графиках соответствует 500 нм.

Рисунок 26 — Упрощенная технологическая карта формирования контактов к одиночным ННК

Рисунок 27 — Дизайн контактов к одиночным GaN ННК

Рисунок 28 — СЭМ изображение сформированной структуры (а) с контактом Ti/Ge/Ti, (б) с контактом Ti/Au, (в) с контактом Yb/Ti/Au, (г) с контактом TiN. Размерная метка соответствует 2 мкм, для б-г — 1 мкм.

Рисунок 29 — Характерная оптическая фотография созданных образцов с металлическими контактами к одиночным GaN ННК. В качестве подложки выступает часть кремниевой пластины со слоем нитрида кремния толщиной 50 нм

Рисунок 30 — Схема проведения электрических измерений (а) и принципиальная схема усилителя-измерителя (без части питания) (б).

Рисунок 31 — Сигнал тока и напряжения на осциллографе при импульсном измерении ВАХ одиночного ННК.

Рисунок 32 — ВАХ GaN ННК ростовой структуры №3 с контактами Ti/Au (а), Yb/Ti/Au (б), TiN (в) и Ti/Ge/Ti (г). Текстом вдоль линий указано расстояние между контактами.

Рисунок 33 — ВАХ GaN ННК ростовой структуры №4 с контактами Л/Аи (а) и УЪ/Л/Аи (б). На вставках приведены гистограммы радиусов ННК и СЭМ изображение после измерений. Текстом вдоль линий указано расстояние между контактами.

Рисунок 34 — СЭМ изображения ННК ростовой структуры №4 после измерений.

Рисунок 35 — ВАХ GaN ННК ростовой структуры №3 (а) и №4 (б) с контактами Л / Аи при погружении образцов в жидкий азот.

Рисунок 36 — ВАХ GaN ННК ростовой структуры №3 с использованием контактов Л/Аи и слоя SiNx толщиной 500 нм в качестве верхнего теплоотвода (а ), зависимость удельной проводимости от диаметра ННК (б).

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

%

^жжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжж

НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

жжжжж

№ 2711824

Рост GaN нанотрубок, активированный легирующей примесью 81 на подложках 81 с тонким буферным слоем АШ

Руководитель Федерачьной службы по интеллектуальной собственности

Г.П. Ивлиев

ЖЖЖЖЖ

Патентообладатель: федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" (Я11)

Авторы: см. на обороте

Заявка № 2016149165

Приоритет изобретения 14 декабря 2016 г. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 22 января 2020 г. Срок действия исключительного права на изобретение истекает 14 декабря 2036 г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

RU

(11)

2 711 824(3) C1

(51) МПК B82B 3/00 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(I2) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(52) СПК

B82B3/00 (2019.05)

О

сч 00

сч

(21) (22) Заявка: 2016149165, 14.12.2016

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 14.12.2016

Дата регистрации: 22.01.2020

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 14.12.2016

(45) Опубликовано: 22.01.2020 Бюл. № 3

Адрес для переписки:

194021, Санкт-Петербург, ул. Хлопина, 8, корп. 3, лит. А, СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова

(72) Автор(ы):

Мухин Иван Сергеевич Кудряшов Дмитрий Александрович Можаров Алексей Михайлович Большаков Алексей Дмитриевич Сапунов Георгий Андреевич Федоров Владимир Викторович ^^

(73) Патентообладатель(и): федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" (Д^

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2437180 C2, 20.12.2011. Ш 7211143 B2, 01.05.2007. Ш 7258807 B2, 21.08.2007. WO 2009009612 A9,15.01.2009. EP 1645656 A1,12.04.2006.

(54) Рост GaN нанотрубок, активированный легирующей примесью Si на подложках Si с тонким буферным слоем AlN

(57) Реферат:

Использование: для синтеза полых квазиодномерных наноструктур. Сущность изобретения заключается в том, что способ роста GaN нанотрубок, активированного легирующей примесью Si на подложке Si с тонким буферным слоем AlN, включает осаждение материалов методом молекулярно-пучковой эпитаксии, перед осаждением ростового материала происходит удаление оксидного слоя в условиях сверхвысокого вакуума, далее следует эпитаксиальное осаждение буферного слоя на

ростовую подложку, эпитаксиальное осаждение материалов синтезируемой нанотрубки на ростовую подложку, эпитаксиальное осаждение на ростовую подложку атомов элемента, который, взаимодействуя с поверхностными атомами растущего кристалла, влияет на кинетику и/или динамику ростового процесса. Технический результат: обеспечение возможности улучшения качества кристаллической решетки и качества огранки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

7J

ю

7

00 2 4

C

RUSSIAN FEDERATION

FEDERAL SERVICE FOR INTELLECTUAL PROPERTY

(12) ABSTRACT OF INVENTION

(19)

RU

(11)

2 711 824(13) C1

(51) Int. Cl. B82B 3/00 (2006.01)

(52) CPC

B82B3/00 (2019.05)

O 00

(21)(22) Application: 2016149165, 14.12.2016

(24) Effective date for property rights: 14.12.2016

Registration date: 22.01.2020

Priority:

(22) Date of filing: 14.12.2016

(45) Date of publication: 22.01.2020 Bull. № 3

Mail address:

194021, Sankt-Peterburg, ul. Khlopina, 8, korp. 3, lit. A, SPbAU RAN im. ZH.I. Alferova

(72) Inventor(s):

Mukhin Ivan Sergeevich (RU), Kudryashov Dmitrij Aleksandrovich (RU), Mozharov Aleksej Mikhajlovich (RU), Bolshakov Aleksej Dmitrievich (RU), Sapunov Georgij Andreevich (RU), Fedorov Vladimir Viktorovich (RU)

(73) Proprietor(s):

federalnoe gosudarstvennoe byudzhetnoe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya i nauki "Sankt-Peterburgskij natsionalnyj issledovatelskij Akademicheskij universitet imeni ZH.I. Alferova Rossijskoj akademii nauk" (RU)

(54) GROWTH OF GaN NANOTUBES, ACTIVATED WITH Si DOPANT ON Si SUBSTRATES WITH THIN AIN BUFFER LAYER

(57) Abstract:

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention can be used for synthesis of hollow quasi-one-dimensional nanostructures. Essence of the invention is that a method of growing GaN nanotubes, activated by a dopant Si on an Si substrate with a thin AlN buffer layer, includes deposition of materials by molecular-beam epitaxy, before sedimentation of growth material, oxide layer is removed in conditions of superhigh vacuum, then epitaxial deposition of buffer layer on growth substrate,

epitaxial deposition of materials of a synthesized nanotube on a growth substrate, epitaxial deposition on a growth substrate of atoms of an element, which, interacting with surface atoms of a growing crystal, affects the kinetics and/or dynamics of the growth process.

EFFECT: technical result is improved quality of crystal lattice and cut quality.

3 cl, 2 dwg

7J

IS) 7

00 2 4

C

£

Crp.: 3

Изобретение относится к области микро- и нанотехнологии, в частности к методу синтеза полых квазиодномерных наноструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии без использования катализатора.

Технология получения полых наноструктур заключается в эпитаксиальном осаждении 5 ростового материала, например, азота и галлия на подложку рассогласованную по параметру решетки, например, кремний (111) в присутствие легирующей примеси, которая влияет на кинетику адатомов и/или на формирование дефектов кристаллической решетки, приводя к формированию полых структур.

Исторически один из первых известных способов синтеза нанотрубок нитрида галлия 10 был предложен в работе (J.Y. Li, X.L. Chen, Z.Y. Qiao, Y.G. Cao, H. Li: «Synthesis of GaN nanotubes», Journal of Materials Science Letters, 2001, 20 (21), 1987-1988). В данном методе формирование нанотрубок GaN происходит за счет нитридации чистого галлия потоком аммиака по методу химического газофазного осаждения. В качестве ростовой основы используется подложка из кварцевого стекла, которая перед загрузкой подвергается 15 обработке раствором Ni(NO3)2 в этиловом спирте для формирования наноразмерных капель NiO, выступающих в роли катализатора формирования квазиодномерных структур. После сушки подложка передается в реакционную камеру и нагревается до температуры 900°С в атмосфере аргона. Галлий в данном методе загружается в реакционную камеру в кварцевой лодочке и нагревается для создания ростового потока. 20 Одновременно с этим в систему подается разогретый до 930°С аммиак. В результате на подложке наблюдается формирование полых наноструктур GaN.

Основным недостатком данного способа является крайне низкое качество как кристаллической структуры, так и морфологии синтезируемых структур. Также следует отметить необходимость использование ростового катализатора, который может 25 встраиваться в структуру синтезируемых трубок.

Известен способ синтеза нанотрубок GaN методом термического испарения с использованием индия в присутствии потока аммиака. (Long-Wei Yin, Yoshio Bando, Ying-Chun Zhu, Dmitri Golberg, Long-Wei Yin, and Mu-Sen Li: «Indium-assisted synthesis on GaN nanotubes», Applied Physics Letters, 2004, 84, 3912). В данном методе нанотрубки зо формируются путем смешения порошков хлорида галлия а также чистого индия с последующим отжигом под потоком аммиака в атмосфере аргона. Недостатками этого способа являются: 1) низкая степень чистоты используемых материалов (99,9%), 2) аморфная, а не кристаллическая структура синтезируемых структур, 3) частичное наполнение нанотрубок индием, 4) недостатком также является необходимость 35 использования индия, который выступает в роли катализатора ростового процесса и впоследствии обнаруживается не только в полостях синтезируемых трубок, но и на концах, 5) кроме того, ввиду специфики процесса синтеза возможно присутствие исходного продукта в сформировавшихся наноструктурах, 5) также недостатком является высокая температура ростового процесса (1100°С). 40 Известен способ синтеза нанотрубок GaN химическим методом термического

испарения (Baodan Liu, Yoshio Bando, Chengchun Tang, Guozhen Shen, Dmitri Golberg and Fangfang Xu: «Wurtzite-type faceted single-crystalline GaN nanotubes», Applied Physics Letters, 2006, 88, 093120). В данном методе нанотрубки образуются на сапфировой подложке, активированной тонкой пленкой золота, за счет реакции оксида галлия с аммиаком в 45 атмосфере аргона при температуре 1150°С. Недостатком этого способа является отсутствие выделенного кристаллического направления формирования отдельных нанотрубок. Также к недостаткам относится отсутствие хорошей огранки у формируемых нанотрубок. Кроме того, стоит отметить большой разброс латеральных

размеров наноструктур, формируемых таким методом. Последним недостатком является присутствие в ростовой системе золота, как катализатора ростового процесса, которое впоследствии остается на сформировавшихся нанотрубках.

Известен способ синтеза нанотрубок GaN прямоугольного сечения кубической фазы 5 с решеткой типа цинковой обманки (J.Q. Hu, Y. Bando, J.^ Zhan, F.F. Xu, Т. Sekiguchi, D. Golberg: «Growth of Single-Crystalline Cubic GaN Nanotubes with Rectangular Cross-Sections», Advanced Materials, 2004, 1б, 14б5). В данном методе, как и в предыдущем, нанотрубки образуются за счет химической реакции между оксидом галлия и аммиаком. Основными отличиями обсуждаемого метода от предыдущего является использование io азота вместо аргона для создания химически инертной атмосферы, отсутствие золота в ростовой системе, а также повышенная температура процесса. Основными недостатками последнего метода можно назвать формирование нанотрубок GaN метастабильной кубической фазы, наличие тонкого оксидного слоя на их поверхности, отсутствие выделенного направления роста. Кроме того, технологическим недостатком is является необходимость очень быстрого нагрева ростовой системы (150°C/min) и очень высокое значение ростовой температуры (1600°С).

Известен способ синтеза нанотрубок, включающий рост первичного нитевидного нанокристалла, осаждение на его поверхность материала будущей нанотрубки и последующее удаление первичного кристалла (патент США US 007211143 В2, МПК 20 С30В 23/00, С30В 25/00, С30В 28/12, 2007). Данный способ реализуется на сапфировой подложке методом газофазной эпитаксии. Для формирования нанотрубки на подложку, на которой уже имеются нитевидные нанокристаллы, например, ZnO осаждаются триметилгаллий и аммиак, которые реагируют на ростовой подложке в атмосфере аргона или азота. При этом, на поверхности первичных кристаллов формируются 25 оболочки GaN. Далее образец отжигается в атмосфере водорода для удаления исходного кристалла, в результате чего образуются нанотрубки. Недостатком этого метода является его технологическая трудоемкость, выраженная в необходимости синтеза исходного нитевидного нанокристалла (1), осаждении оболочки (2), травления первичного кристалла (3). Таким образом обсуждаемый способ является трехстадийным. зо Кроме того, следует указать невозможность полного травления первичного кристалла, в результате чего его остатки обнаруживаются внутри синтезированных полых наноструктур.

Известен способ синтеза нанотрубок GaN с использованием мезопористых структур типа Mobil Composition of Matter (MCM) (Патент США US 007258807 B2, МПК В82В 3/ 35 00, 2007). В данном способе мезопористая структура типа МСМ-41Ю активированная источником металла, помещается в реакционную камеру газофазного осаждения и отжигается при 500°С 30 минут в атмосфере водорода. После этого в камеру подается азот с 10% водорода, триметилгаллий и аммиак и структура нагревается до температуры 800-1000°С. Недостатком данного способа является возможность синтеза только очень 40 тонких структур диаметром не более 10нм. Кроме того, наблюдается формирование структур низкого кристаллического качества, и отсутствие выделенного направления роста.

Известен способ синтеза нанотрубок GaN методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием плазменного источника атомарного азота (Fabian Schuster, Martin 45 Hetzl, Saskia Weiszer, Jose A. Garrido, Maria de la Mata, Cesar Magen, Jordi Arbiol and Martin Stutzmann: «Position-Controlled Growth of GaN Nanowires and Nanotubes on Diamond by Molecular Beam Epitaxy», Nano Letters, 2015, 15 (3), pp 1773-1779). В данном способе используется легированная бором сапфировая подложка ориентации (111), на которой

создается ростовая маска для формирования квазиодномерных наноструктур. Для формирования маски сначала поверхность подложки подвергается активации кислородом в потоке кислородной плазмы, после чего производится осаждение 10нм титана методом термического осаждения. Для формирования ростовой маски методом 5 электронной литографии поверх титана наносится слой позитивного резиста ZEP 520А, в котором формируются массивы отверстий нанометрового диапазона, которые впоследствии переносятся на слой титана с помощью жидкого химического травления раствором следующего состава: HF 5% - Н2О2 31% - Н2О. Для формирования полых

квазиодномерных структур необходимо создание титановой маски со следующими 10 параметрами: диаметр отверстия - 100 нм, расстояние между центрами отверстий - 300 нм. На следующем этапе осуществляется процедура взрывного удаления резиста с использованием n- метил-2-пирролидона, после чего подложка подвергается чистке ацетоном и изопропанолом, а также потоком кислородной плазмы. Далее подложка передается в ростовую камеру установки молекулярно-пучковой эпитаксии, где сначала 15 производится нитридизация титановой маски путем осаждения азота в течение 10 мин при температуре подложки 400°С и 5 мин при 800°С. На заключительном этапе подложка нагревается до 890°С и производится осаждение галлия с эффективным потоком 4.0

10 мбар и азота с потоком 2.3 мл/мин. Основным недостатком данного метода является необходимость проведения трудоемкой процедуры создания титановой маски, включающей сложный процесс литографии. Также к недостаткам данного метода стоит причислить высокий процент незамкнутых полых структур среди синтезируемых нанотрубок и рост на сапфировой подложке.

Наиболее близким способом получения нанотрубок GaN, принятым в качестве прототипа, является способ, описанный в работе (Young S Park, Geunsik Lee, Mark J Holmes, Christopher C.S. Chan, Ben Reid, Jack A. Alexander-Webber, R.J. Nicolas, Robert Taylor, Kwang S. Kim, Sang Wook Han, Woochul Yang, Yongcheol Jo, Jongmin Kim, and Hyunsik Im: «Surface Effect Induced Optical Bandgap Shrinkage in GaN Nanotubes», Nano Letters, 2015, 15 (7), pp 4472-4476). Согласно данному способу нанотрубки нитрида галлия синтезируются на кремниевой подложке ориентации (111) методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием плазменного источника атомарного азота, причем следует отметить, что перед началом эпитаксиального процесса для достижения формирования нанотрубок не производится сгон кремниевого окисла. Рост нанотрубок наблюдается на подложке, разогретой до 800°С при осаждении галлия и азота в азот-обогащенных условиях. Однако его недостатком является наличие окисного слоя на поверхности подложки, что может приводить к нежелательному встраиванию атомов кислорода в кристаллическую структуру нанотрубки. Стоит отметить, что авторы способа продемонстрировали, что синтезируемые структуры имеют низкое качество кристаллической огранки. По-видимому, данный факт обусловлен неоднородностями и аморфной структурой окисного слоя на поверхности подложки. Кроме того, авторы не продемонстрировали возможность синтеза легированных структур.

Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего синтезировать массивы легированных нанотрубок GaN высокого кристаллического совершенства и качества огранки на кремниевой подложке, имеющих выделенное направление роста без привлечения постростовых методик, не требующего предварительной подготовки поверхности подложки, такой как формирование ростовой маски, а также не требующего участие катализаторов аксиального роста.

Технический результат, заключается в улучшении качества кристаллической решетки и качества огранки.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что рост GaN нанотрубок, активированного легирующей примесью Si на подложке Si с тонким буферным слоем AlN включает осаждение материалов методом молекулярно-пучковой эпитаксии и отличается тем, что перед осаждением ростового материала происходит 5 удаление оксидного слоя в условиях сверхвысокого вакуума, а далее следует

эпитаксиальное осаждение буферного слоя на ростовую подложку, эпитаксиальное осаждение материалов синтезируемой нанотрубки на ростовую подложку, эпитаксиальное осаждение на ростовую подложку атомов элемента, который взаимодействуя с поверхностными атомами растущего кристалла влияет на кинетику 10 и/или динамику ростового процесса. Удаление оксидного слоя происходит при повышении температуры подложки до 850°С в условиях сверхвысокого вакуума в камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии. Материалом буферного слоя является AlN, материалом нанотрубки является GaN. Элементом, который взаимодействует с поверхностными атомами растущего кристалла и влияет на кинетику 15 и/или динамику ростового процесса, является Si.

Поставленная задача решается тем, что, во-первых, в отличие от способа-прототипа перед осаждением ростового материала производится сгон окисла с поверхности подложки, во-вторых, в ростовую схему, типичную для синтеза квазиодномерных нитевидных нанокристаллов (ННК) (как и в случае способа-прототипа), вводится 20 источник атомов, присутствие которых влияет на кинетику и/или динамику ростового процесса, приводя к изменению значения барьера нуклеации и/или появлению дефектов упаковки, благодаря чему, возможно осуществление контроля морфологии синтезируемых микро- или наноструктур.

В отличие от большинства материалов III-V (Al(Ga,In)As), которые могут быть 25 синтезированы на сильно рассогласованных подложках с помощью капель катализатора по механизму «пар-жидкость-кристалл», ННК нитридов металлов третей группы (III-нитридов) формируются на Si в отсутствие катализатора по самоиндуцированному механизму роста [1-2]. Данный механизм не требует применения сложных процессов подготовки поверхности, как например, литография. Самоиндуцированные ННК зо растут, благодаря подбору специальных условий роста, при которых атомам III группы легче встроиться на вершине ННК, чем на боковой стенке [3]. Обычно это достигается за счет выбора условий роста с большим пересыщением по азоту. При этом на верхней полярной грани образуется богатая по V-элементу реконструкция, облегчающая встраивание атомов Ga, а на боковых неполярных гранях физадсорбированные атомы 35 азота удерживаются плохо. Изначально, самоиндуцированный рост был открыт на подложках Al2O3 и Si(111), однако позднее была также продемонстрирована возможность формирования ННК Ш-нитридов на сапфире и SiC.

В отличие от способа-прототипа, мы проводим рост наноструктур не на оксидном слое кремениевой подложки, а как было продемонстрировано в ранних работах - на 40 тонком буферном слое AlN, толщиной несколько нанометров, для достижения высокого кристаллического совершенства синтезируемых квазиодномерных структур GaN.

При создании оптоэлектронных приборов на основе GaN ННК необходимо контролируемо управлять уровнем и типом легирования структур. К настоящему моменту представлено большое количество работ [4-6], посвященных изучению роста, 45 процессов формирования и легирования ННК GaN на Si(111) подложках. Показано, что легирование атомами Si и Mg (для достижения р- и n-типа проводимости ННК, соответственно) сильно влияет на морфологию синтезируемых ННК. В частности, увеличение концентрации примесных атомов Si приводит к облегчению формирования

атомных ступеней GaN на боковой неполярной поверхности ННК и уширению ННК во время роста. Для сильнолегированных n-GaN экспериментально продемонстрирована неоднородность профиля легирования кристалла вдоль радиуса ННК, приводящая к формированию тонкого периферийного слоя с увеличенной концентрацией примесных 5 атомов по сравнению с ядром ННК [7]. Подобная особенность легирования ННК также была продемонстрирована для InN ННК [8]. Следует отметить, что концентрация примесей в данном периферийном слое ННК может существенно превышать предел

19 3

растворимости атомов Si в планарных слоях GaN (порядка 5*10 см [9]), в которых при достижения данного уровня наблюдается увеличение упругой механической энергии, 10 формирование большого количества дислокаций [10-12] и переход от двумерного роста к трехмерному [13, 14]. Повышение предела растворимости атомов Si в GaN ННК обычно связывают с наличием развитой боковой поверхности и эффективной релаксацией упругих механических напряжений, вызванных большим содержанием примесных атомов.

15 В нашем изобретении мы использовали эффект влияния встраивания примесных атомов на морфологию синтезируемых ННК для достижения режима формирования полых квазиодномерных наноструктур. Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 (а, б) - Синтезированные разработанным способом массивы нанотрубок 20 GaN

На Фиг. 2. - Изображение нанотрубки GaN, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии.

Осуществление изобретения иллюстрируется следующим примером. Пример

25

Помещаем кремниевую подложку ориентации (111), предварительно прошедшую процедуру очистки и формирования тонкого оксидного слоя по методу Шираки, в ростовую камеру установки молекулярно-пучковой эпитаксии, предварительно

откачанную до вакуума на уровне 1*10-9 торр. Далее в отсутствие ростовых потоков 00 производим отжиг подложки при температуре 920-1000°С для сгона оксидного слоя, который контролируется с помощью метода дифракции быстрых электронов на отражение. После сгона окисного слоя регистрируется дифракционная картина, характерная для реконструкции поверхности Si типа (7x7), что свидетельствует о достижении планарной кремниевой поверхности. 05 На втором этапе производится осаждение тонкого буферного слоя АШ. Для этого температура подложки опускается до 650°С, после чего осаждается тонкий слой А1 с

о

эффективным потоком 7.4 10" торр в течение 1 минуты. Далее происходит остановка

роста на одну минуту, после чего рост возобновляется путем осаждения атомарного

3

азота с потоком 1.3 см /мин, с использованием плазменного источника азота при 40 мощности генератора плазменной частоты 500 Вт.

На третьем этапе подложка с нанесенным буферным слоем нитрида алюминия разогревается до температуры 800°С и производится осаждение одновременно галлия,

о

азота и кремния. Ростовые параметры следующие: эффективный поток галлия -1.5 10"

45 торр, поток азота -1.3 см /мин, при мощности генератора плазменной частоты 500 Вт, температура кремниевого источника - 1160°С, для достижения равномерности осаждения по площади поверхности подложки подложкодержатель вращается с постоянной скоростью - 3 оборота в минуту. Продолжительность роста диктуется требуемой

морфологией формируемых наноструктур, скорость аксиального роста структур при данных ростовых параметрах равна 14.8 нм/ч.

Завершение роста осуществляется по следующей схеме: 1) одновременно закрываются заслонки всех открытых источников, отделяющие ростовые пучки от подложки, 2)

5 останавливается поток азота в азотный источник, 3) понижаются температуры

источников галлия и кремния, 4) понижается температура подложки. При достижении подложкой комнатной температуры образец может быть извлечен из вакуумной камеры установки молекулярно-пучковой эпитаксии.

Синтезированные описанном способом наноструктуры были исследованы методами

10 сканирующей электронной, а затем просвечивающей электронной микроскопии (Фиг. 1 (а,б), 2). Анализ полученных изображений позволяет сделать вывод о том, что поставленные задачи были решены: полученные описанным выше способом наноструктуры обладают высоким качеством кристалличекой решетки, а также ровной гексагональной огранкой.

15 Список литературы:

[1] S.A. Fortuna and X. Li. Metal-catalyzed semiconductor nanowires: a review on the control of growth directions. Semicond. Sci. Technol. 25, 024005 (2010).

[2] C. Cheze, L. Geelhaar, A. Trampert and H. Riechert. In situ investigation of self-induced GaN nanowire nucleation on Si. Appl. Phys. Lett. 97, 043101 (2010).

20

[3] Sergio Fernandez-Garrido, Vladimir Kaganer, Karl Sabelfeld, Tobias Gotschke, Javier Grandal, Enrique Calleja, Lutz Geelhaar, and Oliver Brandt. Self-regulated radius of spontaneously formed GaN nanowires in molecular beam epitaxy. Nano Lett. 13 (7), pp 3274-3280 (2013).

[4] C. Cheze,, L. Geelhaar, B. Jenichen, and H. Riechert. Different growth rates for catalyst-

25 induced and self-induced GaN nanowires. Appl. Phys. Lett. 97, 153105 (2010).

[5] Stoica, Т.; Sutter, E.; Meijers, R.J.; Debnath, R.K.; Calarco, R.; | .¿jth, H.; (irüt/.macher, D. Small 4, 751-4 (2008).

[6] T. Gotschke, T. Schumann, F. Limbach, T. Stoica and R. Calarco. Influence of the adatom diffusion on selective growth of GaN nano wire regular arrays. Appl. Phys. Lett. 98, 103102

30 (2011).

[7] Fang Z, Robin E, Rozas-Jiménez E, Cros A, Donatini F, Mollard N, Pernot J, Daudin B. Si donor incorporation in GaN nanowires. Nano Lett. 15(10):6794-801 (2015).

[8] Zhao S, Fathololoumi S, Bevan KH, Liu DP Kibria MG, Li Q, Wang GT, Guo H, Mi Z. Tuning the surface charge properties of epitaxial InN nanowires. Nano Lett. 12(6):2877-82 (2012).

35 [9] Neugebauer J. Surfactants and antisurfactants on group-III-nitride surfaces. Phys. Stat. Sol. 1(6): 1651-67 (2003).

[10] Lee, I.H.; Choi, I.H.; Lee, C.R.; Shin, E.J.; Kim, D.; Noh, S.K.; Son, S.J.; Lim, K.Y.; Lee, H.J.J. Appl. Phys. 83, 5787 (1998).

[11] Sánchez-Páramo, J.; Calleja, J. M.; M. Sánchez-García, A.; Calleja, E. Appl. Phys. Lett.

40 78,4124(2001).

[12] Chine, Z.; Rebey, A.; Touati, H.; Goovaerts, E.; Oueslati, M.; El Jani, В.; Laugt, S. Phys. Stat. Sol. (a) 203, 1954-1961 (2006).

[13] Fritze S, Dadgar A, Witte H, Biigler M, Rohrbeck A, Biasing J, Hoffmann A, Krost A.

45 High Si and Ge n-type doping of GaN doping-Limits and impact on stress. Appl. Phys. Lett. 100

(12):122104 (2012).

[14] Sanchez-Paramo, J., Calleja, J.M., Sánchez-García, M.A. and Calleja, E. Optical investigation of strain in Si-doped GaN films. Appl. Phys. Lett. 78(26), pp. 4124-4126 (2001).

10

15

20

25

00

05

40

(57) Формула изобретения

1. Способ роста GaN нанотрубок, активированного легирующей примесью Si на подложке Si с тонким буферным слоем АШ, включающий осаждение материалов методом молекулярно-пучковой эпитаксии, отличающийся тем, что перед осаждением ростового материала происходит удаление оксидного слоя в условиях сверхвысокого вакуума, далее следует эпитаксиальное осаждение буферного слоя на ростовую подложку, эпитаксиальное осаждение материалов синтезируемой нанотрубки на ростовую подложку, эпитаксиальное осаждение на ростовую подложку атомов элемента, который, взаимодействуя с поверхностными атомами растущего кристалла, влияет на кинетику и/или динамику ростового процесса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаление оксидного слоя происходит при повышении температуры подложки до 850°С в условиях сверхвысокого вакуума в камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что элементом, который, взаимодействуя с поверхностными атомами растущего кристалла, влияет на кинетику и/или динамику ростового процесса, является Si.

Фиг. 2

ISSN 1063-7826, Semiconductors, 2018, Vol. 52, No. 4, pp. 489-492. © Pleiades Publishing, Ltd., 2018.

XXV INTERNATIONAL SYMPOSIUM ^ "NANOSTRUCTURES: PHYSICS AND TECHNOLOGY", ^

SAINT PETERSBURG, JUNE 26-30, 2017. TRANSPORT IN HETEROSTRUCTURES

Core-Shell III-Nitride Nanowire Heterostructure: Negative Differential Resistance and Device Application Potential1

A. M. Mozharov"*, A. A. Vasiliev", A. D. Bolshakov", G. A. Sapunov", V. V. Fedorov",

G. E. Cirlin", b, c, and I. S. Mukhin", b

a St. Petersburg Academic University, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 194021 Russia b ITMO University, St. Petersburg, 197101 Russia c Institute for Analytical Instrumentation, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 190103 Russia

*e-mail: [e-mail] Received December 25, 2017

Abstract-In this work we have studied volt-ampere characteristics of single core-shell GaN/InGaN/GaN nanowire. It was experimentally shown that negative differential resistance effect can be obtained in the studied heterostructure. On the base of numerical calculation results the model describing negative differential resistance phenomenon was proposed. We assume this effect to be related with strong localization of current flow inside the nanowire and emergence of Gunn effect in this area.

DOI: 10.1134/S1063782618040231

INTRODUCTION

Nowadays modern science and technology faces ever-growing need in development of high-efficiency electromagnetic emitters covering far GHz and THz ranges. Non-destructive diagnostic systems utilizing THz radiation are objects of intense research and development lately. In particular, future of security systems on public transport is usually associated with the latter approach. In addition, new generation radiothermometers based on THz radiation analysis is the other important and promissing application. Moreover, special interest in long waves exists in the field of complicated molecules and proteins research because this spectral range covers important oscillation transitions inside the molecules.

Several types of emitters covering THz and far GHz ranges exist today. High-power vacuum sources: magnetron and gyrotron,—are high cost and poor efficiency devices possessing low limit of the operational frequency. Semiconductor solid-state emitters suitable for the high frequency generation are based on Gunn diode or quantum-cascade laser. The latter device is obviously very promising for future applications but it is also quite sophisticated from technological point of view. Another type of emitter not suitable for industrial use is a combined emitter for research purposes (e.g. low-temperature GaAs radiation—LT-GaAs).

Active semiconductor diodes with the effect of negative differential resistance (NDR) such as Gunn

1The article is published in the original.

diodes based on GaAs and InP can be used as powerful emitters of microwaves. The upper limit for operation frequency of Gunn diode is related with the rate of electron intervalley transfer. Today, gallium arsenide is the material for mass production of this type devices and its limit of the operation frequency is 100 GHz [1]. In order to increase the device frequency the other semiconductor material has to be used.

For example, in case of GaP the operation frequency limit will be at the level of 200 GHz. Another option is InP. As was previously demonstrated [2] Gunn diodes based on InP can operate in D-band frequencies region because of large threshold field in InP (three times larger than in GaAs) and low energy-relaxation time.

The other group of materials with a high device application potential is III-nitrides. These semiconductors possess high threshold field, NDR effect and low energy-relaxation time, which makes them attractive candidates for development of high frequency emitting devices, due to the fact that operation power and frequency can be improved in devices based on GaN. Compare to conventional III-V NDR diode oscillators the latter material allows to operate in THz frequencies.

Despite very good physical properties of nitride compounds, we should mention that these materials adopt wurtzite crystal lattice in normal conditions limiting the use of standart geometries with lateral positioning of the elements due to epitaxial synthesis restrictions with standard methods of molecular beam

50 |im

Fig. 1. Array of GaN/InGaN/GaN NWs, synthesized on sapphire substrate via MOCVD. On inset—schematic NW cross-section.

epitaxy (MBE) and metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).

One of the methods for sufficient improvement of crystal properties of materials synthesized with epitaxial deposition techniques is growth of low-dimensional nanostructures such as quasi-onedimensional nanowires (NWs). In this paper we study potential of Ill-nitride NWs use as basic elements for NDR devices such as Gunn diodes operating in THz frequency region.

High value of active layers conductivity together with thin film quality must be maintained in order to fabricate high frequency semiconductor device. The same principle is used in HEMT transistors. Active region of these devices is undoped and required level of carriers concentration is achieved through carriers injection from adjacent highly doped layers.

The HEMT type geometry can be used for improvement of the active region quality in case of Ill-nitride NWs based device. To achieve this goal the active region should be placed in between wider band gap layers. For example, a combination of GaN active region and AlGaN layers or InGaN active region with GaN layers can be used.

SEMICONDUCTOR NANOWIRES

In this work we study electrical properties of GaN/InGaN/GaN core-shell heterostructure NWs synthesized on (0001) oriented sapphire substrates via MOCVD technique. Scanning electron microscopy (SEM) image of the synthesized nanostructures array is shown in Fig. 1. Thicknesses of the InGaN and GaN shells were 50 and 25 nm, correspondingly. As the initial GaN NWs are nanostructures of different lengths and diameters due to continuous nucleation process, thickness of the GaN core can change from

Fig. 2. Experimental and theoretical VAC curves of a single NW. On inset—optical microscopy image of the NW with fabricated contacts.

one nanostructure to another. Cross-section of the studied NW is schematically shown on inset in Fig. 1.

According to results of the previous investigation [3] carriers concentration and mobility in these NWs have values of 2—3 x 1017 cm-3 and 330 cm-2/(V s) correspondingly, which is in a good agreement with typical values in nanostructures synthesized via the same method [4].

DEVICE FABRICATION AND ELECTRICAL PROPERTIES STUDY

Fabrication of (Ti/Al) ohmic contacts to single studied NW was carried out in order to obtain its voltampere characteristics (VAC) at high values of the bias voltage. For this sake, on the first stage the substrate with nitride NWs was placed in isopropyl alcohol and was subjected under ultrasonic waves for detachment of the NWs into the solution. After that, the NWs were placed on quarts wafer. Using optical microscope we then picked a single NW with diameter below 500 nm. Later, Ti/Al ohmic contacts to these NWs with use of photolithography and metal thermal evaporation in vacuum methods were fabricated. The contacts were deposited on end facets and sidewalls of the NW at about 5 mkm from each end (see inset in Fig. 2). Formation of ohmic contact was controlled through VAC measurements—the curve was linear at bias voltage below 2 V. When we did not obtain linear VAC we then annealed the structure in rapid thermal annealing machine at temperature over 600oC. After formation of the ohmic contact we carried out VAC measurements in -20 V to 20 V range. Typical VAC curve is shown in Fig. 2 (black plot).

It can be seen in Fig. 2 that when bias voltage reaches about 10V the current starts to decrease which indicates formation of the NDR region and possibly

CORE-SHELL III-NITRIDE NANOWIRE HETEROSTRUCTURE

491

Fig. 3. Theoretical dependencies of electron drift velocity on electric field strength in InGaN for different doping levels.

volume instability of the current and high frequency generation.

NUMERICAL SIMULATION

In our study, we used Silvaco TCAD package to model current flow through the NW. We used photoluminescence (PL) technique to obtain spectra from several arrays of the synthesized nanostructures (the spectra are not presented in the paper). Analysis of the PL data allowed us to conclude that the average InGaN bandgap value was 2.9 eV which we adopted in the numerical calculations. Physical properties value of GaN and InGaN such as band gap, electron affinity and others were taken from [5]. We used Barnes model in our simulations [6], which approximates dependence of carriers mobility on local electric field value. To obtain values of the model parameters Monte-Carlo method was used in calculation of electron velocity on electric field in GaN dependence concerning doping of the material (concentration of charged impurities). Results on the calculation of electron velocity in bulk InGaN layer shown in Fig. 3 were used for further modeling of the current flow in NW. We should mention here that for typical for our NWs carriers concentration at the level of (2—3) x 1017 cm-3 critical value of electric field was about (1-2) x 105 V/cm.

In Fig. 2 we present the calculated stationary VAC curve of the specified core-shell heterostructure NW. Worth mentioning that the modeling results strongly depend on InGaN layer doping level as well as on GaN layers thickness. As was mentioned above, diameter of the heterostructure NW core varied from one sample to another and was not measured precisely. Thus, the carried out modeling of the experimental VAC brings us more qualitative than quantitative results. Never the less, saturation of the current takes place at almost the same voltage value on both experimental and theoretical curves as can be seen in Fig. 2. Difference in NW conductivity between the calculated and experimental dependencies at low voltage values

are related with limitations of the utilized Barnes model. Initially the model was developed for band diagram of GaAs and can not interpret double bend of the electron velocity on electric field dependency curve (see Fig. 3, 1e17 curve). In order to overcome the latter model limitation we need to decrease low-field mobility which in turn leads to decrease of the NW conductivity. Lack of NDR in the modeling is related with stationarity of the calculation method that do not describe emergence of electron domains typical for Gunn diodes. The software package used in our numerical modeling provides dynamic calculations along the direct Euler method. So in order to decrease the calculation error we need to compress the calculation grid and increase CPU memory used for calculations.

Distribution of electron density through NW cross-section when 20 V of bias voltage is applied is shown in Fig. 4. It is clearly seen that most of the carriers are captured from GaN layers to potential well at GaN/InGaN heterointerface. Consequently, conductivity of this layer makes a major contribution to total conductivity of the core-shell NW and most of the current flows through InGaN layer.

During the contacts fabrication to a single NW we deposited metal not only at the NW end facets but also at the sidewalls at some distance from each end facet. Formation of the contacts at the sidewalls leads to short-circuit of InGaN layer with GaN shell layer under the metal that covers around 5mkm of NW length (see inset in Fig. 2). If we apply bias voltage to the contacts, a wedge-shaped potential barrier emerges next to cathode edge (this region is marked in Fig. 4). This effect plays the same role as application of gate voltage in field emission transistor.

Existence of the potential barrier leads to formation of a thin conduction channel in InGaN layer and as a consequence to increase of this layer resistance. It is clear that bigger part of potential difference applied to edges of NW drops in the latter region. That is why in InGaN layer large electric field strength can be

c_Symmetry axis

Electron

concentration, cm-3 | 1e18 1e17 1e16 H 1e15 ■ 1e14 1e13

O O

£

CÖ

Ü

High

E field area,

£

cs

Ü ö

(

100

Radius, nm

Channel cutline

£

cs

CD

200

i u cd

'u

Fig. 4. Carriers' distribution through the NW cross section. Marked is a region of the conduction channel constriction.

Fig. 5. Distributions of carriers concentration and electric field along the conduction channel.

obtained and if its value exceeds the critical threshold, electron domains form and high-frequency generation takes place. Distributions of carriers' concentration and electric field along the transport channel formed in InGaN layer are presented in Fig. 5. Maximum electric field in a closed channel has a strength value

about 6 x 105 V/cm, which is higher than the critical value according to our calculations (see Fig. 3).

CONCLUSIONS

In this paper we study electrical properties of single GaN/InGaN/GaN core-shell heterostructure NW. Ti/Al ohmic contacts were fabricated to the NW. We then carried out VAC measurements to find that the nanostructure possess NDR effect.

Numerical modeling of the current flow through NW shows that a thin conducting channel can form at the cathode edge. Electric field strength value in the channel can overcome the critical threshold for generation of high-frequency current oscillations.

Analysis of the numerical modeling data allows us to make some important conclusions about design of GaN/InGaN/GaN core-shell NW-based Gunn diode with active region in a form of potential well. We conclude that the key heterostructure parameters in terms of device application are thicknesses of active InGaN layer and GaN shell, while diameter of GaN core does not have sufficient impact on the diode operation.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was carried out with the support of President grant (14.Z56.17.3632-MK), the Russian Foundation for Basic Research (15-02-06839 A, 16-3260094 mol_a_dk and 16-32-00560 mol_a), the leading universities of the Russian Federation (grant 074-U01), grant of government of the Russian Federation (16.2593.2017/8.9, 16.2593.2017/4.6), financial support of the Foundation for Assisting Innovations (11722GU/2017).

REFERENCES

1. V. Gruzinskis et al., Mater. Sci. Forum 297-298, 341 (1999).

2. H. Eisele et al., IEEE Trans. Microwave Theory Tech-nol. 48, 626 (2000).

3. A. A. Vasiliev et al., J. Phys.: Conf. Ser. 741, 012007 (2016).

4. R. K. Crouch et al., Science 13, 2358 (1978).

5. S. Adachi, Properties of Semiconductor Alloys—Group-IV, III—Vand II—VISemiconductors (Wiley, Chiches-ter, 2009)

6. J. J. Barnes et al., IEEE Trans. Electron Dev. 23, 1042 (1976).

ISSN 1063-7826, Semiconductors, 2018, Vol. 52, No. 14, pp. 1809-1812. © Pleiades Publishing, Ltd., 2018.

INFRARED MICROWAVE PHENOMENA IN NANOSTRUCTURES

Effect of the Conductive Channel Cut-Off on Operation of n+-n-n+ GaN NW-Based Gunn Diode1

A. M. Mozharov"*, A. A. Vasiliev", F. E. Komissarenko4, A. D. Bolshakov", G. A. Sapunov", V. V. Fedorov", G. E. Cirlin"'4c, and I. S. Mukhin"4

a St. Petersburg Academic University, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 194021 Russia b ITMO University, St. Petersburg, 197101 Russia c Institute for Analytical Instrumentation, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 190103 Russia

*e-mail: [e-mail]