パターン化されたシリコン基板上の AlN エピ層の成長研究 +
PAM-XIAMEN は、平面状のシリコンベースの窒化アルミニウム (AlN) テンプレート ウェーハを製造できます。詳細については、以下にお問い合わせください。[email protected]
AlGaN ベースの深紫外 LED は、空気浄化、消毒、生物医学などの分野で重要な応用の可能性を秘めています。シリコン基板は、低コストでサイズが大きく、化学的除去によって裏面から光を取り出すことができるため、サファイアの理想的な代替品となっています。しかし、AlN と Si(111) の間の 19% ～ 23.4% の格子不整合と約 50% の熱膨張係数の不整合により、従来の方法で成長させた AlN テンプレートでは貫通転位密度が 109 ～ 10¹¹cm-2 にもなり、クラックが発生しやすくなります。さらに、シリコン表面上の Al 原子の移動度が低いため、エピタキシャル成長はさらに困難になります。
研究によれば、パターン化された基板と横方向過成長技術を組み合わせることで転位を効果的に除去できることが示されています。この記事では、マイクロ円パターンのシリコン基板上での直接厚膜成長と、AlN シード層と組み合わせたナノ凹パターンのシリコン基板上での高品質薄膜成長の 2 つの技術的アプローチに焦点を当てます。さらに、成長速度論の観点から、シード層が粒子のねじれ/傾斜角を減少させ、転位の発生を抑制する微視的なメカニズムを明らかにします。
1. 微細パターンのシリコン基板上に厚い AlN を直接成長させる
トランら。標準的なフォトリソグラフィーと誘導結合プラズマエッチングを使用して、2 インチの Si(111) 基板上に高密度のマイクロサークルパターンのシリコン基板を製造しました。円形の穴の直径は約1.5μm、深さは1μm、周期は3.5μmでした。横方向成長技術と組み合わせたNH3パルスフロー多層AlN成長を採用することにより、事前に成長させた薄いAlN層を必要とせずに、5つのAlN層(合計厚さ8μm)からなる厚いテンプレートを直接成長させました。図1に示すように、断面SEM画像は、初期AlN層の異なる成長時間における合体形態を明らかにします。そのうち、サンプル C (10 分) は、滑らかで完全に融合した表面を達成しました。
図 1 初期 AlN 層の異なる成長時間における AlN テンプレートの断面 SEM 画像: (a) 5 分、(b) 8 分、(c) 10 分、(d) 11 分
The study found that the growth time of the initial AlN layer is the critical factor determining the final quality. As the growth time increased from 5min to 10min, the full width at half maximum (FWHM) of the X-ray rocking curves for the (002) and (102) planes decreased from 0.97° and 1.30° to 0.23° and 0.37°, respectively; further extension to 11min caused a slight increase. The optimal sample (Sample C) exhibited a surface roughness of only 3.5nm and achieved rapid coalescence. Additionally, the V/III ratio optimization indicated that the lowest FWHM was obtained at a V/III ratio of approximately 150, where the vertical growth rate reached as high as 50nm/min. Transmission electron microscopy analysis showed that Sample C had dislocation densities of 1.5×10⁸cm⁻² for screw type and 3.7×10⁸cm⁻² for edge type, with dislocations primarily located at the bottom of the template and bent to terminate at void sidewalls during the lateral overgrowth process. In contrast, Sample D, whose growth time for the first layer differed by only 1 min, exhibited a dislocation density nearly three times higher.
図 2 サンプル C および D の断面 TEM 像: (a – d) 上から下への貫通転位
2. ナノパターン基板とAlNシード層の相乗最適化
微細パターン化アプローチは重要な結果を達成しましたが、パターン周期が比較的大きい (3.5μm) ため、3μm を超える合体厚さが必要となり、成長サイクルが長くなり、コストが高くなります。これに対処するために、Shen et al.は、わずか 1400nm のパターン周期、1000nm の細孔直径、および 250nm の深さを持つナノ凹円パターンのシリコン基板を提案しました。より重要な革新は、パターニング エッチング (AlN/NCPSi テンプレート) の前に、ベア シリコン上に厚さ 100 nm の AlN シード層を堆積したことでした。製造プロセスを図 3 に示します。
図 3 AlN シード層を備えたナノ凹パターンのシリコン基板の製造プロセス フローと SEM 形態：（a）準備プロセスの概略図。 (b) 平面図および (c) 傾斜図の SEM 画像
In-situ reflectivity curves indicated that on the NCPSi template without a seed layer, AlN coalesced at a thickness of 1.8μm (vertical/lateral growth ratio 3.6:1), whereas on the AlN/NCPSi template, coalescence was completed at only 1μm (vertical/lateral ratio 2:1). Atomic force microscopy showed that the sample with the seed layer exhibited clear atomic steps with a root-mean-square roughness of only 0.203nm, much lower than the 2.0nm of the sample without the seed layer. X-ray diffraction results (refer to original paper Fig. 3) showed that the sample with the seed layer achieved FWHM values of 409 arcsec and 677 arcsec for the (002) and (102) planes, respectively, setting a record for AlN thin films grown on silicon substrates.
図4 サンプルA（AlNシード層なし）およびサンプルB（AlNシード層あり）の（a）対称（002）スキャンおよび（b）非対称（102）スキャンのX線ロッキングカーブ
シード層の効果のメカニズムを明らかにするために、研究者らはモザイク構造のねじれ角と傾斜角を分析しました。さまざまな結晶面の傾斜で FWHM を測定し、90°に外挿することにより、シード層によってツイスト角が 0.341°から 0.233°に、チルト角が 0.173°から 0.114°に減少することがわかりました。より低いねじれ/傾斜角は、粒子間の誤配向が大幅に減少していることを示しており、それによって合体中に発生する貫通転位が少なくなります。透過型電子顕微鏡画像により、合体境界付近には少数の転位のみが存在し、ほとんどの転位はシード層と過剰成長層との間の界面で終端していることが確認された。
図5 サンプルB（AlNシード層あり）の断面TEM像
根底にある微視的なメカニズムは、Al 原子の表面移動挙動に起因すると考えられます。AlN(0001) Al 終端表面上の Al 原子の拡散障壁は、Si(111) 表面の 1.25eV と比較して 1.17eV です。一方、Al-N 結合エネルギー (2.88eV) は、Al-Si 結合エネルギー (3.43eV) よりも低くなります。より低い結合エネルギーと拡散障壁により、シード層表面での Al 原子の滞留時間が長くなり、移動度が高くなり、エネルギー的に最も好ましい格子サイトに移動できるようになり、配向偏差が小さい粒子が形成され、最終的に転位密度が大幅に減少します。
2 つのパターン化アプローチを比較すると、マイクロパターン化アプローチはプレシード層なしで直接成長を可能にし、厚さ 8μm のテンプレートで 10⁸cm-2 程度の転位密度を達成できますが、その代償として合体厚さが厚くなることがわかります。シード層と組み合わせたナノパターン化アプローチにより、より薄い厚さ (2μm) 内で記録的な結晶品質が達成されます。その鍵となるのは、シード層が粒子のねじれ/傾斜角を低減し、合体を促進することです。
研究用または産業用アプリケーションでシリコン上の AlN が必要な場合は、次のアドレスまで電子メールでお問い合わせください。[email protected] と [email protected].
参考文献：
- Shen J、Yang X、Liu D 他AlNシード層を備えたナノ凹円パターンのSi基板上に成長させた高品質AlN膜[J]。応用物理レターズ、2020、117(2)。
- Tran BT、平山 博、前田 直子、他微小円パターンの Si 基板上での厚い AlN テンプレートの直接成長と制御された融合[J]。科学レポート、2015、5(1): 14734。