AlN/サファイアテンプレートの応力制御と高品質エピタキシャル成長に関するクラッキングの視点 +

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超ワイドバンドギャップ半導体 (バンドギャップ ~6.2eV) として、AlN は深紫外発光ダイオード (DUV LED) などの光電子デバイスにおいてかけがえのない役割を果たしています。しかし、AlN 基板とサファイア基板間の最大 11.7% という大きな格子不整合は、熱膨張係数の大きな違いと相まって、ヘテロエピタキシャル成長に深刻な課題をもたらします。その中でも、クラックの問題は特に顕著です。クラックはフィルムの構造的完全性を損なうだけでなく、非発光再結合中心や不純物拡散経路を生成し、DUV LED の発光効率とデバイスの信頼性を大幅に低下させます。したがって、クラック形成メカニズムの深い理解と効果的な抑制戦略の開発が、AlN/サファイアテンプレートの実用化を進めるための重要なテーマとなっています。この目的を達成するために、研究者らは 3 つの特徴的な技術的アプローチを検討しました。1 つは対称構造によって熱応力のバランスを取る両面スパッタリング法です。界面を調整することで応力状態を最適化するナノ核形成層エンジニアリング。もう 1 つは窒素とキャリアの 2 段階法で、粗いバッファ層を介して応力を緩和します。この研究では、比較分析を通じて、亀裂抑制におけるこれらの方法の共通点と独特の特徴を明らかにします。

1. クラックの駆動力：熱不整合と応力解析

クラックは、ヘテロエピタキシー中に蓄積された残留応力に起因します。 AlN/サファイア系では、応力は主に 2 つの原因から発生します。1 つは格子不整合によって引き起こされる成長応力、もう 1 つは冷却中の熱膨張係数の差によって引き起こされる熱応力です。

林ら。 Hsueh が提案した弾性多層熱応力解析モデルを使用して、AlN/サファイア二層系の内部応力を体系的に計算しました。このモデルでは、二軸面内応力は面内ひずみに比例し、その比例定数は AlN の弾性定数によって決まります。冷却中の面内ひずみは、一様な熱ひずみと曲げひずみの合計で構成されます。この関係は応力の本質を示しています。AlN とサファイアの熱膨張係数の違いによる熱ひずみが一致しない場合、内部応力が発生します。サファイアの熱膨張係数は AlN の熱膨張係数よりも高いため、AlN 層は冷却中に圧縮応力を受けます。

亀裂の形成は応力の大きさだけで決まるわけではなく、応力の性質 (引張または圧縮) とも密接に関係していることに注意してください。一般に、圧縮応力は亀裂の伝播を抑制するのに役立ちますが、過剰な引張応力は亀裂を誘発します。周ら。ラマン分光法を使用して、AlN 薄膜の残留応力を定量的に分析しました。彼らは、膜が約 1.33GPa の引張応力を示すと、表面に明確な亀裂ネットワークが現れることを発見しました。一方、応力が約 0.1GPa まで低減されると、クラックのない滑らかな表面が得られます。

図1 両面スパッタAlNテンプレート構造の模式図

図 2 (a) 裏面の AlN 厚さの関数としての AlN/サファイア テンプレートの面内応力と (b) 曲率

2. 両面スパッタリング法：対称構造による応力バランス

AlN/サファイアテンプレートの反りや亀裂の問題に対処するために、Hayashi et al.は、シンプルかつ効果的なアプローチである両面スパッタリング法を提案しました。中心的なアイデアは、冷却中に発生する曲げモーメントをキャンセルする対称構造を利用して、サファイア基板の表裏面の両方に AlN 膜を堆積することです。

実験では両面研磨サファイア基板（厚さ430μm）を使用しました。表面の AlN の厚さは 200nm に固定され、裏面の厚さは 0 ～ 600nm で変化しました。サンプルは、1700℃で3時間、対面高温アニーリングにさらされました。結果は、アニール後、AlN (10-12) X 線ロッキングカーブ (XRC) の半値全幅 (FWHM) が約 6000 秒角から 256 ～ 321 秒角に大幅に改善し、結晶品質が大幅に向上したことを示しています。

応力解析の観点から見ると、両面構造の利点はその対称性にあります。計算によると、前面と背面の厚さが等しい場合、応力は対称的に分散され、両方とも約 1.92GPa の圧縮応力になります。裏面の厚さが増加すると、表面と裏面の応力差は徐々に増加し、裏面の厚さが 700nm の場合、約 11MPa に達します。この非対称な応力分布がウェーハの反りの原動力となります。

裏面の厚みを調整することで、曲率を-27km⁻¹～29km⁻¹の範囲で連続的に調整できます。さらに重要なことは、前面の AlN 厚さを 200nm に維持すると、裏面の厚さに関係なく、前面にクラックが発生しないことです。しかし、裏面の厚さが 300nm を超えると、AlN の a 軸に沿って配向した亀裂が裏面自体に発生し、亀裂密度は 600nm で大幅に増加します。この現象は、重要な規則を明らかにします。クラックの形成は、曲率の大きさや方向ではなく、主に各面の AlN 膜の絶対厚さに依存するということです。 40km⁻¹ もの高い曲率範囲内でも、前面には亀裂がありません。

図 3 異なる裏面厚さの亀裂形態の光学顕微鏡画像

3. 核生成層エンジニアリング: ナノスケールでのプレストレス変調

巨視的な構造対称性を通じて応力のバランスをとる両面スパッタリング法とは異なり、Zhao らは、インターフェースエンジニアリングのアプローチを採用しました。サファイア基板上にナノスケールのAlN核生成層を事前に堆積することで、その後のエピタキシャル層の応力状態を細かく制御することができた。この方法の主な利点は、核生成層の厚さ、結晶品質、不純物含有量を個別に最適化できるため、厚膜成長に理想的な初期条件を作り出すことができることです。

この研究では、その場低温 MOCVD AlN 核生成層 (サンプル A1)、酸素を含まないスパッタリングされた AlN 核生成層 (サンプル B1)、および酸素をドープされたスパッタリング AlN 核生成層 (サンプル C1) の 3 種類の核生成層を比較しました。ラマン分光分析により、酸素を含まないスパッタリングされた AlN 核生成層を使用したサンプルは、約 100MPa の弱い引張応力のみを示し、滑らかで亀裂のない表面を備えていることが明らかになりました。対照的に、低温 MOCVD AlN 核生成層を備えたサンプルは 1.33GPa の高い引張応力を受け、明確な亀裂ネットワークを示しました。酸素ドープのスパッタリングされた AlN 核生成層を備えたサンプルは、引張応力が 0.73GPa で亀裂が存在する中間状態を示しました。

図 4 異なる核生成層条件下での AlN 薄膜のラマンスペクトル

図5 異なる核生成層条件下でのAlN薄膜表面の光学顕微鏡写真

この現象に対処するために、Zhao et al. XRD 分析を通じて手がかりが得られました。無酸素スパッタリング AlN 核生成層を備えたサンプルの (002) および (102) ロッキング カーブの半値幅は、それぞれ 45 秒角と 552 秒角であり、低温 MOCVD サンプルの半値幅 (497 秒角と 1641 秒角) よりも大幅に優れていました。これは、酸素を含まないスパッタリングされた AlN 核生成層がより良好な c 軸配向性とより均一な粒子サイズを備えていることを示しています。このような高品質の核生成層は、その後のエピタキシャル成長モードをより効果的に調整することができ、十分な応力緩和が可能になります。

図 6 異なる核生成層条件下での AlN 薄膜の X 線ロッキングカーブ: (a) 対称 (002) 反射、(b) 非対称 (102) 反射

核生成層の厚さが応力状態に及ぼす影響も重要です。無酸素スパッタリングされた AlN 核生成層の場合、厚さが 15nm の場合、AlN 薄膜は 867MPa の引張応力を受け、表面に亀裂ネットワークが見られました。厚さが 25nm に増加すると、引張応力は 100MPa に減少し、表面に亀裂がなくなりました。さらに厚さが35nmになると応力は267MPaの圧縮応力となり、表面は小山のような凹凸を呈した。この「U 字型」の変化は、応力が最小限に抑えられ、表面が最も滑らかになる最適な核生成層の厚さのウィンドウが存在することを示しています。

図 7 異なる厚さの無酸素スパッタリング核生成層に対応する AlN 薄膜表面の光学顕微鏡写真

4. 窒素キャリア二段階法: 粗面バッファ層を介した応力解放メカニズム

従来の AlN の MOCVD 成長では、通常、キャリアガスとして水素が使用されます。しかし、ハサンら。は、キャリアガスとして窒素を使用し、2 段階の成長戦略を組み合わせた異なるアプローチを採用し、厚さ 4μm のクラックのない AlN 薄膜の製造に成功しました。

このプロセスの中心的な革新は、低温の粗いバッファ層の設計にあります。 ９７０℃の低温で、パルス供給モード（ＮＨ３オン／オフ時間６／１２秒、連続ＴＭＡｌ流）を使用して、厚さ約０．１μｍの粗いＡｌＮ層を成長させた。窒素キャリアガス環境下では表面移動度が低いため、このバッファ層は、二乗平均平方根 (RMS) 粗さが 3.12 nm の高密度の核形成アイランドを示します。続いて、残りのAlNの厚さを1180℃の高温で連続的に成長させた。

応力進化の観点から見ると、この粗いバッファ層は「応力調整層」として重要な役割を果たします。低温粗層内の高密度の粒界と空隙は、その後の高温成長中に応力を緩和する経路を提供します。温度が上昇すると、表面の移動性が高まり、吸着原子が横方向に移動して空隙を埋める傾向があり、このプロセスにより引張応力が誘発されます。この引張応力は、格子と熱の不整合から生じる固有の圧縮応力を打ち消し、最終的に正味応力を比較的低いレベル (約 0.6GPa の圧縮応力) に維持します。

材料特性評価の結果は、このメカニズムの有効性を検証しています。厚さ 4μm の AlN 膜の (10-12) ロッキング カーブの FWHM は 289 秒角で、表面は完全な二次元のステップ フロー モルフォロジーを示し、RMS 粗さはわずか 0.12nm です。ウィリアムソン・ホール法によって計算された転位密度は約 1 × 10⁹cm-² で、らせん転位密度は 2.2 × 10⁷cm-² です。ラマンスペクトルの E2(高)フォノンピークはバルク材料の値 (約 657cm-1) 付近に位置しており、残留応力が効果的に解放されていることをさらに裏付けています。

図 8 窒素キャリア 2 段階法で成長させた AlN 薄膜の AFM 画像： a．粗いバッファ層の表面 (RMS = 3.12nm)。 b.厚さ4μmのサンプル表面（RMS = 0.12nm）

表 1 は、上記の 3 つの技術的アプローチを要約し、それらの主要なパラメータと亀裂抑制効果を比較したものです。

表1。 AlN/サファイアテンプレートの 3 つのクラック抑制戦略の比較
技術的アプローチ	コアメカニズム	alnの厚さ	(10-12) XRC FWHM	残留応力の種類と大きさ	クラックの状態
両面スパッタリング＋高温アニール	対称構造により曲げモーメントのバランスが取れます。	前面 200nm	256–321 秒角	圧縮、約 2.0 ～ 2.1GPa	前面クラックなし
無酸素スパッタリング核生成層 + MOCVD	高品質の核生成層が成長モードを最適化	～2μm	552 秒角	引張、~0.1GPa	クラックフリー
窒素キャリア二段階法	粗いバッファ層が応力を解放	4μm	289 秒角	圧縮、~0.59GPa	クラックフリー

 

この研究は、結晶の品質が応力の大きさと直接相関していないことを示しています。高温アニーリングは結晶粒の配向を最適化できますが、熱による圧縮応力の不一致は残ります。引張応力は圧縮応力よりも亀裂を誘発しやすいです。亀裂の臨界厚さは成長条件に依存し、界面工学により亀裂に対する耐性を大幅に向上させることができます。

研究用または産業用アプリケーションでサファイア上の 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：

1. 林 裕也、谷川 和也、上杉 和也、小路木 和也、三宅 博司 (2019)スパッタリングと高温アニールによって製造された、曲率制御可能でクラックのない AlN/サファイア テンプレート。結晶成長ジャーナル、512、131-135。
2. Zhao, J.、Hu, H.、Lei, Y.、Wan, H.、Gong, L.、Zhou, S. (2019)。 AlGaNベースの深紫外発光ダイオード用の、ナノメートルスケールの厚さのAlN核生成層を備えたサファイア基板上への高品質でクラックのないAlN膜のヘテロエピタキシャル成長。ナノマテリアル、9(11)、1634。
3. Hasan, S.、Mamun, A.、Hussain, K.、Patel, D.、Gaevski, M.、Ahmad, I.、および Khan, A. (2021)。キャリアガスとして窒素を使用し、クラックのない厚さ 4 μm の窒化アルミニウムを MOCVD 成長させた研究。 MRS アドバンス、6(17)、456-460。