AlN + におけるボイドの形成、制御、および特性への影響

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窒化アルミニウム (AlN) は、ワイドバンドギャップ半導体の主要材料として、深紫外電子デバイスや高周波パワー電子デバイスへの応用に大きな可能性を示しています。しかし、ヘテロエピタキシャル成長によって引き起こされる高い転位密度と残留応力により、デバイス性能のさらなる開発が大幅に制限されます。近年の研究により、高温アニーリングやその他の方法による AlN への空隙の導入が、材料の結晶品質や光学特性に重大かつ複雑な影響を与えることが判明しました。

1. 空隙の形成メカニズム

空隙の形成は結晶欠陥の発生と密接に関係しています。ベンら。は、PVD-AlN の高温アニーリング プロセス中に、反対のバーガース ベクトルを持つ転位が熱駆動下で互いに引き付けられ、反応することを発見しました。第一原理計算の結果、2つの転位線が融合して空洞を形成すると、系のエネルギーは5.93eV減少し、克服する必要があるエネルギー障壁は1.34eVだけであることが示され、このプロセスがエネルギーの点で非常に有利であることが示された。アニーリング温度が上昇すると、転位の融合がより完全になり、ボイドのサイズも大きくなります。これは、1700℃でのアニーリング後のボイド サイズが 1500℃でのアニーリング後のボイド サイズよりも大きいという実験で観察された結果と一致しています。実験により、高温アニーリングがボイド形成を誘発する効果的な手段であることが示されました。

図 1 PVD-AlN におけるボイドの形成と転位凝集メカニズム：（a）アニールされていないサンプルの断面の HRTEM 画像。ボイドは観察されません。 (b) 1700℃でのアニーリング後に PVDF AlN 層に形成された六角形の規則的な空隙。 (c)、(g) 選択した領域の FFT 結果、転位は (d) – (f) および (h) – (j) でマークされます。

2. ボイドによるAlN結晶品質の向上

空隙の形成プロセス自体が転位消滅の効率的なメカニズムです。 Ben らの研究は、空隙が転位の内部表面終端点を提供し、表面に向かって伝播する貫通転位の密度を減少させることを明確に示しています。この効果は非常に大きく、1700℃での高温アニール後、PVDF AlN の転位密度は 2.78×10 から急激に減少することが研究で示されています。⁹cm⁻²5.39×10に焼鈍する前⁶cm^-2.

別の研究では、AlN 中間層構造を導入することにより、高温アニーリングによって誘発されたボイドによって結晶品質が向上することがさらに実証されました。中間層周囲にボイドを導入することに成功した後、転位密度は 5.26 × 10 から減少しました。⁹cm^-2～5.10×10⁸cm^-2。注目に値するのは、多数の転位がキャビティの端に集まっているにもかかわらず、幾何学的位相解析により、キャビティ周囲のひずみ状態がサンプルの他の領域と大きく変わらないことが示されており、逆符号の転位のクラスタリングがそれぞれのひずみ場を打ち消し、追加の格子歪みを導入しないことが示されているということです。

3. AlN の光学性能に対するボイドの影響

ボイドも重大な悪影響を及ぼします。永田ら。らは、空隙領域は炭素や酸素などの不純物を捕捉しやすく、AlN 層全体にわたる一貫した成長条件下でも、その濃度が大幅に高くなることがわかりました。これは主に、不純物を吸着する傾向が強いキャビティ内の非 c 面（{10-12}、{11-22} など）が豊富であることに起因します。これらの不純物（特に酸素）は、アルミニウム空孔を持つVAl(ON)nなどの複合欠陥中心を形成し、バンドギャップに深いエネルギー準位を導入し、Al-O複合体の支配的な光吸収現象を引き起こす可能性があります。透過スペクトルは、約 280nm でボイドのある AlN の透過率がボイドのないサンプルの透過率よりも大幅に低いことを示しています。しかし、パターン化されたサファイア基板では、より大きな空隙サイズとより高い不純物濃度により、光吸収の問題が特に顕著になります。

図 2 ボイド領域における不純物濃縮と光吸収：（a）断面 HAADF-STEM 画像。従来の AIN テンプレートの初期バッファ層に複数の結晶面を持つエアボイドが形成されていることを示しています。 (b) SIMS 深さプロファイルは、ボイドが存在する初期成長領域の炭素 (C) および酸素 (O) 不純物濃度の顕著なピークを明確に示しています。

4. ボイドの制御可能な構築と AlN の性能最適化戦略

転位の減少と空隙による光吸収の導入との間の矛盾のバランスをとるために、研究者は 2 つの主要な技術的手段を開発しました。ベンら。は、MOCVDによって成長させたAlNテンプレートに中温中間層を埋め込むことを提案しました。 1700℃でアニールした後、ボイドは界面から厚さの約1/3に位置する中間層の周囲に正確に閉じ込められ、ボイドの空間制御性が達成され、「ボイドエンジニアリング」の基礎が築かれました。

On the other hand, Nagata et al. prepared AlN templates without voids by optimizing growth conditions, fundamentally avoiding the enrichment of impurities at the voids and reducing oxygen and carbon concentrations to 3×10¹⁶ cm⁻³ and 1.5 × 10¹⁶  cm⁻³, respectively, significantly improving the transmittance in the deep ultraviolet band. In addition, adjusting the V/III ratio can also regulate the morphology and density of voids, thereby affecting impurity doping and optical properties.

ボイドの形成は、高温での転位の誘引と融合によるもので、転位を効果的に消滅させ、応力を解放し、AlN の結晶品質を大幅に向上させることができます。ただし、中空の表面は不純物を捕捉し、深いレベルの欠陥を形成する傾向があり、UV 吸収を引き起こし、光電子デバイスの性能に脅威をもたらします。したがって、空隙の深い理解と正確な操作は、高品質の AlN 材料とその高性能デバイスの開発を促進する上で重要な鍵となります。

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参考文献：

1. Ben, J.、Shi, Z.、Zang, H.、Sun, X.、Liu, X.、Lü, W.、および Li, D. (2020)。高温アニール中の物理蒸着 AlN エピ層におけるボイドの形成メカニズム。応用物理学レター、116(25)。
2. Ben, J.、Luo, J.、Lin, Z.、Sun, X.、Liu, X.、および Li, X. (2022)。高温アニールにより、AlN の中間層の周囲にボイドが導入されます。中国物理学 B、31(7)、076104。
3. 永田和也、牧野博之、山本哲也、斉藤裕貴、三木英生 (2019)空気空隙を有するAlNにおける光吸収の起源。応用物理学雑誌、58(SC)、SCCC29。