Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Основан в 2009 году

Влияние стехиометрии состава пленок нитрида алюминия на диэлектрический отклик

А.В. Солнышкин1, И.Т. Зезянов1, О.Н. Сергеева1, С.А. Кукушкин2, М.В. Старицын3, Ш.Ш. Шарофидинов4, Н.В. Шаренкова4, С.В. Сенкевич4, И.П. Пронин4

1 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
2 ФГБУН «Институт проблем машиноведения РАН»
3 ФГУП «Центральный научно- исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» им. И.В. Горынина НИЦ «Курчатовский институт»
4 ФГБУН «Физико- технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН»

DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.172

Оригинальная статья

Аннотация: Исследовано влияние нестехиометричности тонких монокристаллических слоев нитрида алюминия (AlN) на их структуру и диэлектрические свойства. Тонкие слои AlN были выращены методом хлорид-гидридной эпитаксии на монокристаллической подложке кремнии с наноразмерным буферным слоем карбида кремния, выращенный методом твердотельного замещения (SiC/Si(111)). Фазовый анализ структур проводился методом рентгеноструктурного анализа с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-7, а изучение микроструктуры и состав поперечных сечений проводилось на растровом электронном микроскопе Lira3 Tescan. Слои нитрида алюминия различались составом – с сильной нестехометричностью (~18%) и составом, близким с стехиометрии (~ 4%). Выявлено, что увеличение нестехиометричности приводит к возрастанию межплоскостного расстояния гексагональной (вюрцитной) структуры и деформации кристаллической решетки тонких
слоев нитрида алюминия. Для нестехиометрических пленок наблюдалось усиление релаксационных явлений диэлектрической проницаемости в низкочастотной области спектра и рост диэлектрических потерь в 1,5-2 раза в исследованной области частот, а также в условиях приложения смещающих полей. Предполагается, что наличие асимметрии вольт-фарадных характеристик обусловлено вкладом объемно-зарядовой поляризации и изменением величины спонтанной поляризации.

Ключевые слова: хлорид-гидридная эпитаксия, подложка нанокарбида кремния на кремнии, эпитаксиальные слои AlN, нестехиометричность состава, диэлектрические свойства

  • Солнышкин Александр Валентинович – д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры физики конденсированного состояния вещества, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Зезянов Иван Тимофеевич – аспирант 4 года обучения, кафедра физики конденсированного состояния вещества, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Сергеева Ольга Николаевна – к.ф.-м.н., доцент, ведущий инженер кафедры физики конденсированного состояния вещества, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Кукушкин Сергей Арсеньевич – д.ф.-м.н., профессор, заведующий лабораторией структурных и фазовых превращений в конденсированных средах, ФГБУН «Институт проблем машиноведения РАН»
  • Старицын Михаил Владимирович – инженер 3 категории, ФГУП «Центральный научно- исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» им. И.В. Горынина НИЦ «Курчатовский институт»
  • Шарофидинов Шукрилло Шамсидинович – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Физико- технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН»
  • Шаренкова Наталия Викторовна – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Физико- технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН»
  • Сенкевич Станислав Викторович – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Физико- технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН»
  • Пронин Игорь Петрович – д.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Физико- технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН»

Ссылка для цитирования:

Солнышкин, А.В. Влияние стехиометрии состава пленок нитрида алюминия на диэлектрический отклик / А.В. Солнышкин, И.Т. Зезянов, О.Н. Сергеева, С.А. Кукушкин, М.В. Старицын, Ш.Ш. Шарофидинов, Н.В. Шаренкова, С.В. Сенкевич, И.П. Пронин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 172-181. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.172. ⎘

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Nakamura, S. Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes / S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh // Applied Physics Letters. – 1994. – V. 64. – I. 13. – P. 1687-1689. DOI: 10.1063/1.111832.
2. Marcon, D. Manufacturing challenges of GaN-on-Si HEMTs in a 200 mm CMOS fab / D. Marcon, B. De Jaeger, S. Halder, et al. // IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. – 2013. – V. 26. – I. 3. – P. 361-367. DOI: 10.1109/TSM.2013.2255897.
3. Марков, Л.К. Тонкопленочный светодиод на основе слоев AlInGaN, выращенных на гибридных подложках SiC/S / Л.К. Марков, С.А. Кукушкин, А.С. Павлюченко и др. // Письма в журнал технической физики. – 2023. – Т. 49. – Вып. 15. – С. 3-6. DOI: 10.21883/PJTF.2023.15.55855.19616.
4. Loeb, H.P. Piezoelectric thin AlN films for bulk acoustic wave (BAW) resonators / H.P Loeb, M. Klee, C. Metzmacher et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2003. – V. 79. – I. 2-3. – P. 143-146. DOI: 10.1016/S0254-0584(02)00252-3.
5. Trolier-McKinstry, S. Thin film piezoelectrics for MEMS / S. Trolier-McKinstry, P. Muralt // Journal of Electroceramics. – 2004. – V. 12. – I. 1-2. – P. 7-17. DOI: 10.1023/B:JECR.0000033998.72845.51.
6. Tonisch, K. Piezoelectric properties of polycrystalline AlN thin films for MEMS application / K. Tonisch, V. Cimalla, Ch. Foerster et al. // Sensors and Actuators A: Physical. – 2006. – V. 132. – I. 2. – P. 658-663. DOI: 10.1016/j.sna.2006.03.001.
7. Crisman, E.A. Enhanced AlN nanostructures for pyroelectric sensors / R. Drehman, Miller, A. Osinsky et al. // Physica Status Solidi C. – 2014. – V. 11. – I. 3-4. – P. 517-520. DOI: 10.1002/pssc.201300513.
8. Gaur, S.P. MEMS AlN pyroelectric infrared sensor with medium to long wave IR absorber / S.P. Gaur, K. Rangra, D. Kumar // Sensors and Actuators A: Physical. – 2019. – V. 300. – Art. no. 111660. – 13 p. DOI: 10.1016/j.sna.2019.111660.
9. Сергеева, О.Н. Влияние ориентации кремниевой подложки с буферным подслоем карбида кремния на диэлектрические и полярные свойства пленок нитрида алюминия / О.Н. Сергеева, А.В. Солнышкин, Д.А. Киселев и др. // Физика твердого тела. – 2019. – Т. 61. – Вып. 12. – С. 2370-2375. DOI: 10.21883/FTT.2019.12.48558.22ks.
10. Zukauskaite, A. Microstructure and dielectric properties of piezoelectric magnetron sputtered w-ScxAl1-xN thin films./ A. Zukauskaite, G. Wingqvist, J. Palisaitis et al. // Journal of Applied Physics. – 2012. – V. 111. – I. 9. – Art. № 093527. – 7 p. DOI: 10.1063/1.4714220
11. Liauh, W.J. Microstructure and piezoelectric properties of reactively sputtered highly C-axis ScxAl1-xN thin films on diamond-like carbon/Si substrate / W.J. Liauh, S. Wu, J.-L. Huang, D.-F. et al. // Surface & Coatings Technology. – 2016. – V. 308. – P. 101-107. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.06.097.
12. Mikolajick, T. Next generation ferroelectric materials for semiconductor process integration and their applications / T. Mikolajick, S. Slesazeck, H. Mulaosmanovic, et al. // Journal of Applied Physics. – 2021. – V. 129. – I. 10. – Art. № 100901. – 21 p. DOI: 10.1063/5.0037617.
13. Wall, J.M. Sputtering process of ScxAl1-xN thin films for ferroelectric applications / J.M. Wall, F. Yan // Coatings. – 2023. – V. 13. – I. 1. – Art. № 54. – 18 p. DOI: 10.3390/coatings13010054.
14. Hasegawa, K. Full polarization reversal at room temperature in unsubstituted AlN / K. Hasegawa, T. Ohsawa, I. Sakaguchi, N. Ohashi // Applied Physics Letters. – 2023. – V. 123. – I. 19. – Art. no. 192903. – 4 p. DOI: 10.1063/5.0174236.
15. Anggraini, S.A. Polarity inversion of aluminum nitride thin films by using Si and MgSi dopants / S.A. Anggraini, M. Uehara, K. Hirata et al. // Scientific Reports. – 2020. – V. 10. – Art. no. 4369. – 11 p. DOI: 10.1038/s41598-020-61285-8.
16. Solonenkom, D. The limits of the post-growth optimization of AlN thin films grown on Si(111) via magnetron sputtering / D. Solonenko, C. Schmidt, C. Stoeckel et al. // Physica Status Solidi B. – 2020. – V. 257. – I. 5. – Art. № 1900400. – 9 p. DOI: 10.1002/pssb.201900400.
17. Shin, I.-S. Epitaxial growth of single-crystalline AlN layer on Si(111) by DC magnetron sputtering at room temperature / I.-S. Shin, J. Kim, D. Lee, et al. // Japanese Journal of Applied Physics. – 2018. – V. 57. – I. 6. – Art. № 060306. – 4 p. DOI: 10.1134/S002016852113002110.7567/JJAP.57.060306.
18. Sergeeva, O.N. SEM, dielectric, pyroelectric and piezoelectric response of thin AlN films epitaxially grown on SiC/Si substrate / O.N. Sergeeva, A.A. Bogomolov, A.V. Solnyshkin et al. // Ferroelectrics. – 2015. – V. 477. – I. 1 – P. 121-130. DOI: 10.1080/00150193.2015.1000144.
19. Кукушкин, С.А. Пироэлектрические и пьезоэлектрические отклики тонких пленок ALN, эпитаксиально выращенных на подложке SiC/Si / С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, О.Н. Сергеева и др. // Физика твердого тела. – 2016.– Т. 58. – Bып. 5. – С. 937-940.
20. Кукушкин, С.А. Новый метод твердофазной эпитаксии карбида кремния на кремнии: модель и эксперимент / С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. // Физика твердого тела. – 2008. – Т. 50. – Вып. 7. – С. 1188-1195.
21. Kukushkin, S.A. Nanoscale single-crystal silicon carbide on silicon and unique properties of this material. / S.A. Kukushkin, A.V. Osipov // Inorganic Materials. – 2021. – V. 57. – I. 13. – P. 1319-1339. DOI: 10.1134/S0020168521130021.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒