DOI: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-1049-1057


УДК 539.234

МОРФОЛОГИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК AlN НА САПФИРЕ

Девицкий О.В., Никулин Д.А., Сысоев И.А., Осипян В.Б.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Девицкий О.В., Никулин Д.А., Сысоев И.А., Осипян В.Б. Морфология и оптические свойства пленок AlN на сапфире // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 6. С. 1049–1057. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-1049-1057


Аннотация
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования морфологии и оптических свойств пленок AlN на сапфире. В качестве экспериментальных образцов использовались тонкие пленки AlN на сапфире. Метод. Для получения тонких пленок использовалась установка ионно-лучевого осаждения, включающая в себя ионный источник типа КЛАН-53M с нейтрализатором ионов. Энергия ионного пучка варьировалось от 600 до 900 эВ. Ток ионного пучка составлял 60 мА, и выбирался из расчета устойчивого горения плазмы в ионном источнике. Осаждение производилось при остаточном давлении газов в вакуумной камере не менее 1,5×10–3 Па, нагрев подложек производился при помощи группы галогеновых ламп общей мощностью 2500 Вт, температура подложки составляла 550–850 °C. Время осаждения составляло 1 ч. Состав азотно-аргоновой смеси изменялся путем увеличения объемной доли азота от 10 до 90 %. Основные результаты. Полученные тонкие пленки исследованы методом сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа. Исследования показали, что полученные при объемной доле азота в азотно-аргоновой смеси более 50 % тонкие пленки AlN на сапфире имеют состав, близкий к стехиометрическому. Для пленок AlN на сапфире, полученных при объемной доле азота в азотно-аргоновой смеси более 90 %, температуре подложки 800 °C и энергии пучка 600 эВ, величина коэффициента пропускания во всем оптическом диапазоне длин волн составляет не менее 92 %. Определена прямая зависимость энергии пучка от объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси – при 900 эВ по сравнению с 600 эВ содержание азота в пленке AlN повышается с 10 % до 30–35 %. При величине энергии пучка в 600 эВ имеется незначительная зависимость от температуры подложки, и сохраняется только прямая зависимость от количества азота в азотно-аргоновой смеси. При частичной ионизации ионного пучка разница между содержанием азота в пленке AlN при разной энергии пучка входит в диапазон 5–10 %. Повышенное содержание азота в пленках (более 20 %) отрицательно влияет на оптическое совершенство пленок. При режиме частичной ионизации только при 900 эВ, температуре 800 °C и при объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси более 50 % наблюдается снижение качества пленок. При режимах с объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси менее 30 % наблюдается большое количество микрокапель на поверхности, с размерами в диапазоне 1–6 мкм. Состав газовой смеси с содержанием объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси в 10 % повышает концентрацию микрокапель на поверхности пленки с увеличением доли крупных микрокапель. Наиболее оптимальный режим выявлен с частичной ионизацией пучка и энергией 600 эВ, объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси более 50 %. Изменение температуры подложки на значение доли азота в тонкой пленке нитрида алюминия практически не влияет. Практическая значимость. Тонкая пленка AlN на сапфире, осажденная при температуре подложки 800 °C и объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси равной 90 % имеет коэффициент пропускания в оптическом диапазоне 200–1100 нм более 92 %, что характеризует полученный образец тонкой пленки как оптически прозрачный.

Ключевые слова: ионно-лучевое осаждение, тонкие пленки, AlN, сапфир, атомно-силовая микроскопия

Благодарности. Публикация подготовлена в рамках реализации государственного задания «Разработка и создание полупроводниковых гетероинтерфейсов на основе многокомпонентных материалов для устройств СВЧ-электроники и фотоники», номер государственной регистрации АААА-А19-119040390081-2.

Список литературы
  1. Qin M.L., Du X.L., Li Z.X., Humail I.S., Qu X.H. Synthesis of aluminum nitride powder by carbothermal reduction of a combustion synthesis precursor // Materials Research Bulletin. 2008. V. 43. N 11. P. 2954–2960. doi: 10.1016/j.materresbull.2007.12.008
  2. Ryou J.-H., Lee W. GaN on sapphire substrates for visible light-emitting diodes // Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs): Materials, Technologies, and Applications. 2018. P. 43–78. (Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials). doi: 10.1016/B978-0-08-101942-9.00003-4
  3. Belyanin A.F., Bouilov L.L., Zhirnov V.V., Kamenev A.I., Kovalskij K.A., Spitsyn B.V. Application of aluminum nitride films for electronic devices // Diamond and Related Materials. 1999. V. 8. N 2-5. P. 369–372. doi: 10.1016/S0925-9635(98)00412-9
  4. Kroke E., Loeffler L., Lange F.F., Riedel R. Aluminum nitride prepared by nitridation of aluminum oxide precursors // Journal of the American Ceramic Society. 2002. V. 85. N 12. P. 3117–3119. doi: 10.1111/j.1151-2916.2002.tb00595.x
  5. Natesan K., Reed C.B., Rink D.L., Haglund R.C. Development and performance of aluminum nitride insulating coatings for application in a lithium environment // Journal of Nuclear Materials. 1998. V. 258-263. Part 1. P. 488‒494. doi: 10.1016/S0022-3115(98)00370-5
  6. Bian Y., Liu M., Ke G., Chen Y., Di Battista J., Chan E., Yang Y. Aluminum nitride thin film growth and applications for heat dissipation // Surface and Coatings Technology. 2015. V. 267. P. 65–69. doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.11.060
  7. Kueller V., Knauer A., Brunner F., Zeimer U., Rodriguez H., Kneissl M., Weyers M. Growth of AlGaN and AlN on patterned AlN/sapphire templates // Journal of Crystal Growth. 2011. V. 315. N 1. P. 200–203. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2010.06.040
  8. Lutsenko E.V., Rzheutski M.V., Vainilovich A.G., Svitsiankou I.E., Shulenkova V.A., Muravitskaya E.V., Alexeev A.N., Petrov S.I., Yablonskii G.P. MBE AlGaN/GaN HEMT Heterostructures with Optimized AlN Buffer on Al2O3 // Semiconductors. 2018. V 52. N 16. P. 2107–2110. doi: 10.1134/S1063782618160170
  9. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Беляев А.В., Денисова А.В., Сидорин А.П. Гетероэпитаксиальные структуры AlN/Al2O3и GaN/Al2O3для акустоэлектронных СВЧ устройств // Современные наукоемкие технологии. 2010. № 9. С. 24–30.
  10. Kim J., Pyeon J., Jeon M., Nam O. Growth and characterization of high quality AlN using combined structure of low temperature buffer and superlattices for applications in the deep ultraviolet // Japanese Journal of Applied Physics. 2015. V. 54. N 8. P. 081001. doi: 10.7567/JJAP.54.081001
  11. Девицкий О.В., Дмитриева О.Г., Никулин Д.А., Касьянов И.В., Сысоев И.А. Исследование изменения морфологии поверхности лейкосапфира пучком ионов аргона под малым углом падения к поверхности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 5. С. 848–854. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-848-854
  12. Лунин Л.С., Синельников Б.М., Сысоев И.А. Особенности ионно-лучевой полировки поверхности сапфира // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 9. С. 73–77. doi: 10.1134/S020735281809010X
  13. Sukhoveev V., Usikov А., Kovalenkov О., Ivantsov V., Syrkin A., Dmitriev V., Collins C., Wraback M. Thick AlN layers grown by HVPE on sapphire substrates // Materials Research Society Symposium Proceedings. 2006. V. 892. P. 743–748. doi: 10.1557/PROC-0892-FF29-03
  14. Nečas D., Klapetek P. Gwyddion: An open-source software for SPM data analysis // Central European Journal of Physics. 2012. V. 10. N 1. P. 181–188. doi: 10.2478/s11534-011-0096-2
  15. Мошников В.А., Спивак Ю.М., Алексеев П.А., Пермяков Н.В. Атомно-силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 144 с.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика