Artificially layered heteropolytypic structures based on SiC polytypes: molecular beam epitaxy, characterization and properties.

Абстракт. В последние годы обсуждаются новые типы полупроводниковых гетероструктур, состоящих только из одного материала в различных кристаллических структурах, например вюрцит/цинковая смешанная гетероструктура (гетерополитипичная структура). Такие гетероструктуры сохраняют полностью свободны от дефектов. В этой области карбид кремния является наиболее многообещающим кандидатом из-за кристаллизации SiC в ьолее чем двух различных стабильных структурах. Подготовка гетерополитипичных структур только изменением кристаллической структуры в течении роста является большой проблемой и реализуется только при определенных условиях молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В этой статье дается обзор результатов и выводов последних исследований по МЛЭ выращиванию, характеристика и свойства SiC гетерополитипичных структур и связанных с ним материалами.

Цель  работы – описать МЛЭ выращивание новых видов полупроводниковых гетероструктур на основе политипов SiC.

Материалы и методы. Слои SiC выращивались на подложке SiC (0001) (вдоль оси и под углом 3 – 8,5^о) при помощи твердого источника молекулярно-лучевой эпитаксии. Подложка нагревалась тепловым излучением графитовой излучины до 1600К. температура измерена при помощи широкополосного оптического пирометра, работающего в диапазоне длин волн 1 – 5 мкм. В этом диапазоне возможно избежать специфических эффектов политипа, так как этот диапазон слишком далек от границы адсорбции различных политипов (между 350 и 530 нм). Точная калибровка температуры выполнялась путем исследования поверхностного переноса фаз как функции температуры.

Молекулярные лучи генерировали автономной электронно-лучевой пушкой, нагревающей чистый кремний и пиролитический углерод. Результирующая скорость роста находится в диапазоне 0,01-0,1 нм/с. Скорость сенсора для этого метода должна определяться пределом обнаружения в процентном диапазоне контролируемой скорости.

В случае Si калибровка потокометра производится измерением интенсивности колебаний частных отраженных лучей в течение отражательной дифракции быстрых электронов ОДБЭ. Установлено, что период колебаний соответствует в Si-МЛЭ Si (1 1 1) для двух монослоев. ОДБЭ – наиболее широко используемая методика для отображения и контроля МЛЭ роста. Из-за малого угла падение между 1^о и 3^о к поверхности пластинки, в этом методе падающие электроны с энергией 10 – 40 кэВ взаимодействуют только с атомами приповерхностных областях глубиной несколько монослоев. Далее, специальная дифракционная геометрия делает возможным получение инфомации в реальном времени о процессе, происходящем на поверхности и в приповерхностных областях в процессе роста. В простом случае ОДБЭ используется для проверки поверхности после подготовки. Шероховатая поверхность давала бы трехмерную диффракцию, тогда как в случае гладкой поверхности дифракция становится двухмерной.

В случае углерода, сначала подложка Si (1 1 1) размещалась под углерод при высокой температуре 1275 К. размещение Si под С при такой высокой температуре ведет к формированию кристаллического SiC из-за карбонизации поверхности подложки Si. Последующий рост слоя SiC происходит путем диффузии Si через слой SiC, например вдоль границ зерен. Конечная толщина слоя измерена поверхностным профилометром Дектака. Скорость роста окончательно калибруется последовательным переключением между точными Si-определенными поверхностными суперструктурами из-за осаждения определенного количества С.

Известно, что эпитаксиальное наращивание на подложку сильно зависит качества поверхности подложки, так как каждый дефект может распространяться в слое в процессе роста и снижать его качество. Поэтому подложка немедленно протравливается перед установкой в аппарат МЛЭ. Однако, поверхностная подготовка SiC затруднена из-за химической стабильности SiC и возможна только в процессе плазменного травления или высоко-температурной подготовки.

Плазменное травление выполнено с использованием различных газов, например CF₄/O­₂, CCl₂F₂/O₂, SF₆/He и CHF₃/O₂. В отношении метода CVD, травление Н₂ и HCl при высоких температурах (T> 1550 К) также успешно применяется для подготовки поверхности SiC. Следовательно, для представленных исследований образцы подготавливают двух-шаговой процедурой, включающей травление H₂/O₂-плазмой и последующим термическим окислением. Такой процесс предотвращает травление галидами и кислородом, которыми трудно управлять из-за их высокой агрессивности. Остаточные включения и дефекты затем снимались вместе с оксидным слоем при влажной химической обработке в HF. После этого, как было найдено, поверхность имела шероховатость менее 1 нм и свободной от примесей (ниже предела обнаружения электронной Оже-спектроскопии). Найдено, что водород-пассивированная поверхность стабильна против окисления на воздухе в течение 10 – 30 мин.

Для МЛЭ опытов поверхность подложки SiC подготовлена сублимационным травлением в токе Si при температурах (>1500K), чтобы убрать поверхностные примеси. Попутно, такая подготовка Si дает десорбцию оксидов кремния путем образования летучих монооксидов и одновременно избегается графитизация поверхности из-за истощения поверхности Si при высоких температурах. Травлением Si получена хорошо развитая шаговая структура. Это сравнимо с результатами высоко температурной подготовки с использованием H и HCl.

Метод МЛЭ наращивания, морфология и структура поверхности исследовались ОДБЭ. Также образцы исследовались просвечивающей электронной микроскопией TEM, атомно силовой микроскопией AFM и сканирующей электронной микроскопией SEM, а также измерениями рентгеновской диффракции.

Выводы. Описано МЛЭ выращивание выращивание новых видов полупроводниковых гетероструктур на основе политипов SiC. продемонстрировано, что формирование основных политипов в период зародышеобразования происходит из-за комплексного взаимодействия между их термодинамическими свойствами и условиями роста. Гетерополитипичные структуры SiC получены переключением условий роста из низких температур (1550 К) и Si-обогащенным коэффициентом Si/C (3C-SiC) к высоким температурам (1600 К) и С-обогащенным коэффициентом Si/C (4Н- и 6Н-SiC). Был продемонстрирован контролируемый рост гетерополитипичных структур SiC, состоящих из гексагональных и кубических политипов, как 4Н/3C/4H-SiC (0 0 0 1) и 6H/3C/6H-SiC (0 0 0 1). Таким образом, четкость гетерополитипичных границ зависит от гладкости поверхности. Изменение условий от Si-обогащенных к более С-обогащенным легко может быть проконтролировано путем изменения сверхструктуры поверхности из (1×1) к (√3×√3)R30^o структур.

На неосевых подложках мультигетероструктуры, состоящие из более чем 20 гетеросоединений, были получены путем первичного отборанитеподобных зародышей 3С-SiC на терассах хорошо подготовленных гексагональных подложек SiC (0 0 0 1) при низких Т (<1500 К) и последовательными потоков волокон 3С и окружающим материалом α-SiC. Количество волокон 3С-SiC определяется шириной террас и температурой роста, тогда как их толщина (и толщина последовательных выращенных тонких слоев) определяется высотой шага на подложке, который подобен квантовой стенке в несколько нанометров.

Изменение политипов было зафиксировано образцами Кикуччи, показанными в ОДБЭ.

В опытах с фотолюминесценцией и электрическими измерениями слоев, состоящих из мультиквантовых стеночных структур, поведение отличалось от того, что было найдено для слоев SiC. В слоях, содержащих гетерополитипичные структуры, появляются дополнительные пики, которые можно объяснить в пределах триангулярной квантовой стенки 3C-SiC. Более того, высокая концентрация носителей электронов и модуляция их концентраций в пределах слоя фиксирует локализацию носителей.

В дальнейшем было продемонстрировано, что стехиометрия поверхности является ключевой для МЛЭ выращивания SiC, особенно при низких температурах.

В будущем полученные результаты также открывают способы для выращивания и исследования маломерных структур с мерностью до 0, как например квантовые точки SiC. Применение гетерополитипичных структур SiC в устройствах, на подобии транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) или резонансных туннельных диодов, должно стать возможным сейчас. По этому методу в деталях могут быть изучены свойства новых типов гетероструктур.

Полученные результаты должны быть пригодны такжи и для подготовки других видов гетерополитипичных структур, таких как Si вюрцит/цинковая обманка. Это открыло бы возможность использовать резонансные туннельные диоды из Si, без каких-либо включений, в запоминающих и логических контурах.