СПОСОБ СИНТЕЗА МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (IN,GA)N В НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛАХ Российский патент 2020 года по МПК C30B25/00 C30B25/16 C30B29/62 C30B29/40 C23C16/34 C23C16/455 B82B3/00 B82Y40/00 

Область техники

Изобретение относится к области материаловедения полупроводников и может быть использовано для получения однородных по составу сегментов нитевидных нанокристаллов In_xGa_1-xN, с произвольным составом по In, с использованием эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы, в том числе в области метастабильных составов.

Уровень техники

В настоящее время известна технология выращивания слоя нитрида галлия с использованием эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы, что существенно улучшило морфологию поверхности слоя нитрида галлия за счет снижения количества раковин, образуемых на его поверхности и используется для изготовления нитридного полупроводникового устройства с улучшенными рабочими характеристиками (патент RU 2414549). Существует также технология получения слоев полупроводника, содержащих одну или более структуру с квантовыми ямами со встроенными квантовыми точками с высоким содержанием индия в нитриде индий-галлия, предложенная Чуа (Chua) и др. (патент США 6645885). Высокая концентрация индия в данном случае достижима только в малых объемах внутри квантовой точки. Технология использования металорганической гидридной эпитаксии из газовой фазы для получения светодиодных структур, представленная Ким и др. (патент США US 7132677 В2) позволяет получать слои нитрида индий-галлия In_0.25Ga_0.75N содержащие 25% атомов индия.

Помимо этого, метод роста InGaN метастабильных составов был описан при использовании подложек с соответствующим согласованием параметров решетки (N. Li Journal of Crystal Growth vol. 311 p. 4628).

Ни один из приведенных выше методов и технологий не позволяет контролировать содержание в составе кристалла атомов индия в широких пределах за счет регулировки ростовых параметров, таких как температура подложки или потоки газовых прекурсоров.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение предлагает решение задачи по синтезу структур In_xGa_1-xN в форме нитевидных нанокристаллов с долей индия варьируемой в пределах от 0.2 до 0.8 при изменении температуры роста и соотношения потоков газовых прекурсоров.

Техническим результатом является повышение стабильности нанокристаллической структуры при увеличении в структуре доли индия.

Заявленный технический результат достигается за счет осуществления способа формирования нитевидных нанокристаллов In_xGa_1-xN, с произвольным составом по In, устойчивых в области метастабильных составов, с помощью металхлоридной эпитаксии из газовой фазы при атмосферном давлении в реакторе с использованием газовых прекурсоров GaCl и InCl₃, при выполнении которого поддерживают температуру в реакторе 660°С с допустимым отклонением ± до 10°С и осуществляют контроль за содержанием In в твердой фазе внутри нитевидных нанокристаллов за счет изменения соотношения потоков газовых прекурсоров элементов III группы GaCl и InCl₃, и поддержания соотношения потока прекурсора V группы NH₃ к суммарному потоку упомянутых прекурсоров III группы в пределах 26.

Состав нитевидных нанокристаллов в метастабильной области предлагается стабилизировать за счет плавного изменения концентрации индия вдоль аксиального направления. При послойном росте нитевидных нанокристаллов плавное изменение состава приводит к плавному изменению параметра решетки, что обеспечивает стабилизацию каждого последующего слоя кристаллической решетки за счет предыдущих.

Подавление распада метастабильного состояния происходит за счет накопления упругой энергии в формирующемся эпитаксиальном слое. В этом сходство с подходом в (N. Li Journal of Crystal Growth vol. 311 p. 4628), который, однако, подразумевает удачный выбор подложки с нужным параметром решетки (позволяет растить конкретный состав). В предлагаемом методе вместо подбора подложки изменение параметра решетки происходит внутри нитевидного нанокристалла, а геометрия структуры позволяет избежать возникновения дефектов.

Особенность данного метода заключается в его применимости лишь в одномерных или квазиодномерных структурах, нитевидных нанокристаллах в частности с достаточно малым поперечным размером. В таких структурах эффективная релаксация упругих напряжений на боковой поверхности приводит к тому, что основной вклад в накопление упругих энергий дает только участок структуры высотой в несколько радиусов наноструктуры [1, 2]. Таким образом, при увеличении поперечных размеров возрастает толщина переходного слоя, требуемая для стабилизации метастабильных составов. Использование нитевидных нанокристаллах диаметром менее 200 нанометров позволяет изменять постоянную решетки на 1% на расстоянии, сопоставимом с диаметром.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1-3 иллюстрируют изображения нитевидных нанокристаллов, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Осуществление изобретения

Формирование структур на подложках кремния осуществляется методом металхлоридной эпитаксии из газовой фазы при атмосферном давлении в реакторе с использованием газовых прекурсоров GaCl и InCl₃. Пары GaCl образуются при высокой температуре (более 600°С) в результате реакции HCl в газовой фазе с галлием в жидкой фазе. Пары InCl₃ получаются в результате сублимации кристаллического InCl₃ при 500°С под воздействием потока азота.

Рост нитевидных нанокристаллов In_xGa_1-xN на подложке кремния (111) проходит при температуре 660°С. Контроль за составом нитевидных нанокристаллов, в частности содержанием индия в твердой фазе внутри нитевидных нанокристаллов, осуществляется за счет изменения соотношения потоков прекурсоров. При этом доля индия в газовой фазе, определяемая соотношением потоков прекурсоров третьей группы, может меняться от 0.2 до 0.8, а отношение потока пятой группы к суммарному потоку третьей группы поддерживается около 26. В таблице 1 приведены значения давлений в потоке GaCl (P_GaCl) и соотношения давлений GaCl и InCl₃ (P_GaCl/P_InCl3) вместе с полученной долей индия (х) внутри нитевидных нанокристаллов.

На Фиг. 1-3 приведены изображения нитевидных нанокристаллов, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в высоком разрешении, на которых видно высокое кристаллическое качество полученных наноструктур. На вставках приведены картины электронной дифракции.

Таким образом, осуществляется возможность управления составом нитевидных нанокристаллов, в том числе в пределах области сегрегации объемных фаз, за счет регулировки потоков газовых прекурсоров. Увеличение отношения давлений в потоках прекурсоров галлия и индия позволяет получать доли индия внутри нитевидных нанокристаллов в диапазоне от 0,2 до 0,8.

Изобретение относится к области материаловедения полупроводников и может быть использовано для получения однородных по составу сегментов нитевидных нанокристаллов In_xGa_1-xN. Способ формирования нитевидных нанокристаллов In_xGa_1-xN, где х=0,2-0,8, устойчивых в области метастабильных составов, осуществляют с помощью металхлоридной эпитаксии из газовой фазы при атмосферном давлении в реакторе с использованием газовых прекурсоров GaCl и InCl₃, при выполнении которого поддерживают температуру в реакторе 660°С с допустимым отклонением ± до 10°С и осуществляют контроль за содержанием In в твердой фазе внутри нитевидных нанокристаллов за счет изменения соотношения потоков газовых прекурсоров элементов III группы GaCl и InCl_3,, и поддержания соотношения потока прекурсора V группы NH₃ к суммарному потоку упомянутых прекурсоров III группы в пределах 26. Техническим результатом является повышение стабильности нанокристаллической структуры при увеличении в структуре доли индия. 3 ил., 1 табл.

Способ формирования нитевидных нанокристаллов In_xGa_1-xN, где х=0,2-0,8, устойчивых в области метастабильных составов, с помощью металхлоридной эпитаксии из газовой фазы при атмосферном давлении в реакторе с использованием газовых прекурсоров GaCl и InCl₃, при выполнении которого поддерживают температуру в реакторе 660°С с допустимым отклонением ± до 10°С и осуществляют контроль за содержанием In в твердой фазе внутри нитевидных нанокристаллов за счет изменения соотношения потоков газовых прекурсоров элементов III группы GaCl и InCl₃, и поддержания соотношения потока прекурсора V группы NH₃ к суммарному потоку упомянутых прекурсоров III группы, равным 26:1.