Особенности получения пьезоэлектрических тонких пленок методом плазменного напыления из порошкообразного AlN

Одним из перспективных материалов в твердотельной электронике является соединение нитрид алюминия (AlN). Из него производят широкую номенклатуру полупроводниковых приборов: фотоприемники, светодиоды, пьезоэлектрические преобразователи и т. п. Широкому применению изделий на основе AlN препятствует невысокая технологичность изготовления структур на его основе. В связи с этим, разработка новых технологий для производства приборов на основе AlN является актуальной.
Работа посвящена исследованию тонких пленок AlN, изготовленных с помощью плазменного напыления из порошка AlN. Проведен обзор существующих технологий получения тонких пленок AlN. Обсуждены их достоинства и недостатки. Приведены сведения о модернизации установки ВУП-5, позволившей произвести напыление пленки AlN из порошкообразного состояния.
Одним из существенных преимуществ разработанного в этой работе процесса является то, что подложка нагревалась до температур не выше 300 oС, что позволяет, в свою очередь, совместить эту технологию с технологией кремниевых полупроводниковых приборов. В результате получены пленки толщиной 200 нм на различных подложках и исследована структура поверхности. Показано, что наименьшей шероховатостью обладают пленки AlN, напыленные на монокристаллические подложки – алмаз и кремний, а наихудшей шероховатостью обладают пленки, напыленные на ситалле.
Методами ИК-спектроскопии были исследованы спектры пропускания полученных пленок AlN. С их помощью было показано, что на подложке образуется поликристаллический слой AlN, ориентированный в кристаллографическом направлении 002.
С использованием методов сканирующей зондовой микроскопии были исследованы пьезоэлектрические свойства изготовленных пленок. Показано, что их пьезоэлектрический коэффициент d₃₃ составляет для алмазной подложки 60% от значения для однодоменного монокристаллического образца, что говорит о достаточно высоком качестве полученной пленки.
Сделан вывод, что, хотя качество слоев сильно зависит от подложки, но, тем не менее, они проявляют значительный пьезоэффект, что позволяет использовать этот метод для изготовления пьезодатчиков, излучателей ультразвука и т.п.

1. Inoue Sh.-I., Tamari N., Taniguch M. 150 mW deep-ultraviolet light-emitting diodes with large-area AlN nanophotonic light-extraction structure emitting at 265 nm. Appl. Phys. Lett. 2017;110(14):141106. https://doi.org/10.1063/1.4978855

2. Boltar K.O., Burlakov I.D., Ponomarenko V.P., Filachev A.M., Salo V.V. Solid-state photoelectronics of the ultraviolet range (review). Journal of Communications Technology and Electronics. 2016;61(10):1175-1185. https://doi.org/10.1134/S1064226916100041

3. Priya Sh., Song H.-Ch., Zhou Y., Varghese R., Chopra A., Kim S.-G., Kanno I., Wu L., Ha D.S., Ryu J., Polcawich R.G. A Review on Piezoelectric Energy Harvesting: Materials, Methods, and Circuits. Energy Harvesting and Systems. 2017;4(1):3-39. https://doi.org/10.1515/ehs-2016-0028

4. Piprek J. (Ed.). Nitride Semiconductor Devices: Principles and Simulation. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.; 2007. 519 p. ISBN: 978-3-527-61072-3

5. Tsubouchi K., Mikoshiba N. Zero-Temperature-Coefficient SAW Devices on A1N Epitaxial Films. IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics. 1985;32(5):634-644. https://doi.org/10.1109/T-SU.1985.31647

6. Rowland L.B., Kern R.S., Tanaka S., Davis R.F. Epitaxial growth of AIN by plasma-assisted, gas-source molecular beam epitaxial. J. Mater. Research. 1993;8(9):2310-2314. https://doi.org/10.1557/JMR.1993.2310

7. Clement M., Iborra E., Sangrador J., Sanz-Hervas A., Vergara L., Aguilar M. Influence of sputtering mechanisms on the preferred orientation of aluminum nitride thin films. J. Appl. Phys. 2003;94(3):1495-1500. https://doi.org/10.1063/1.1587267

8. Duquenne C., Tessier P.Y., Besland M.P., Angleraud B., Jouan P.Y., Aubry R., Delage S., Djouadi M.A. Impact of magnetron configuration on plasma and film properties of sputtered aluminum nitride thin films. J. Appl. Phys. 2008;104(6):063301-1-8. https://doi.org/10.1063/1.2978226

9. Yarar E., Hrkac V., Zamponi C., Piorra A., Kienle L., Quandt E. Low temperature aluminum nitride thin films for sensory applications. AIP Advances. 2016;6(7):075115-1–11. https://doi.org/10.1063/1.4959895

10. Dubois M.-A., Muralt P. Stress and piezoelectric properties of aluminum nitride thin films deposited onto metal electrodes by pulsed direct current reactive sputtering. J. Appl. Phys. 2001;89(11):6389-6395. https://doi.org/10.1063/1.1359162

11. Kamohara T., Akiyama M., Ueno N., Sakamoto M., Kano K., Teshigahara A., Kawahara N., Kuwano N. Influence of sputtering pressure on polarity distribution of aluminum nitride thin films. Appl. Phys. Lett. 2006;89:2435071–3. https://doi.org/10.1063/1.2405849

12. Akiyama M., Kamohara T., Ueno N., Sakamoto M., Kano K., Teshigahara A., Kawahara N. Polarity inversion in aluminum nitride thin films under high sputtering power. Appl. Phys. Lett. 2007;90(15):151910-1–3. https://doi.org/10.1063/1.2721865

13. Akiyama M., Kamohara T., Kano K., Teshigahara A., Kawahara N. Influence of oxygen concentration in sputtering gas on piezoelectric response of aluminum nitride thin films. Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93(2). P. 021903-1–3. https://doi.org/10.1063/1.2957654

14. Harumoto T., Sannomiya T., Y Matsukawa., Muraishi S., Shi J., Nakamura Y., Sawada H., Tanaka T., Tanishiro Y., Takayanagi K. Controlled polarity of sputter-deposited aluminum nitride on metals observed by aberration corrected scanning transmission electron Microscopy. J. Appl. Phys. 2013;113(8):084306-1–7. https://doi.org/10.1063/1.4792942

15. Sanz-Hervaґs A., Iborra E., Clement M., Sangrador J., Aguilar M. Influence of crystal properties on the absorption IR spectra of polycrystalline AlN thin films. Diamond and Related Materials. 2003;12(3-7):1186-1189. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(02)00228-5

16. Киселев Д.А., Жуков Р.Н., Ксенич С.В., Кубасов И.В., Темиров А.А., Тимушкин Н.Г., Быков А.С., Малинкович М.Д., Shvartsman V.V., Лупашку Д.Ц., Пархоменко Ю.Н. Влияние ориентации кремниевой подложки на локальные пьезоэлектрические характеристики пленок LiNbO3 . Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2016;7:74-80. https://doi.org/10.7868/S020735281607009X