4H-SiC 上の N 分極 GaN に対する基板偏角の影響 –
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1. 概要
この研究では、基板のオフアクシス配向（方向と角度）がホットウォール MOCVD および 4H-SiC (000-1) 上の多段階温度エピタキシーによって成長させた N 極性 GaN の特性をどのように支配するかを包括的に分析し、結晶品質と表面形態を最適化するための 2 段階温度プロトコルと多段階温度プロトコルの有効性を批判的に評価しました。結果は、基板の配向がステップ フロー パターンと表面欠陥の形成に大きく影響することを示しています。オフ角 4 ° の基板は、a 面と m 面の方向に大きな違いを示しますが、オフ角 1 ° の m 面の基板は、低温成長中に六角形の丘のような構造になる傾向があります。マルチステップ温度法は、丘状の欠陥を効果的に抑制し、ステップ曲げ成長を誘発し、特定の角度の基板上で優れた表面平坦性 (RMS 粗さ 1.5 nm 程度) を達成できます。この研究は、高品質の N 分極 GaN のエピタキシャル成長のための信頼できる温度戦略と配向最適化の基礎を提供します。
2. サンプルの準備
ホットウォール MOCVD 技術を使用して、[11-20] 方向に向かって 4 °、[1-100] 方向に向かって 4 °の配向角で、SiC (000-1) 基板上に N 分極 GaN 層を同期エピタキシャル成長させました。実験に用いたC型SiCエピタキシャル基板は、水素雰囲気中で1340℃でアニールした後、NH3で10分間プリフローした。成長プロセス全体は 50 mbar の反応圧力に維持され、金属有機ソースは、それぞれトリメチルアルミニウム (TMAl)、トリメチルガリウム (TMGa)、およびアンモニア ガス (NH3) を使用して、Al、Ga、および N の前駆体として使用されました。まず、純粋な N 極性を確保し、ステップ フロー成長モードを促進するために、すべてのサンプルに AlN 核生成層を 1300 °C で堆積しました。続いて、厚さ40nmの低温GaNバッファ層(LT GaN、850℃)を均一に成長させた。これに基づいて、2段階の温度プロセスを採用して、950℃、1000℃、1050℃、1100℃でバッファ層上に厚さ900nmのGaN層を成長させた。すべてのGaN成長段階のV/III比は251に固定した。
多段階の高温成長では、4 つの GaN 層が LT GaN バッファ層上に順次堆積されました。(i) 1000 ℃、V/III = 251。 (ii) 1050℃、V/III=251。各層の厚さは200nmです。図 1 は、すべての N 分極 GaN サンプルの成長条件と対応する性能パラメータをまとめたものです。表面形態はBruker Dimension 3100 AFMをタップモードで使用して特性評価され、結晶品質は高分解能XRDを使用して分析されました。
図 1 2 段階および多段階の温度プロセスにより 3 種類の基板上に成長させた N 極 GaN 層の成長条件、RMS 表面粗さ、および選択された XRD FWHM 曲線
図 2 異なるオフ角 SiC 基板上の N 偏光 GaN 薄膜の AFM: (a) ～ (c) 2 段階の加熱成長プロセス。 (df) 多段階加熱成長プロセス
図 3 異なる C 面 SiC 基板上の温度による N 分極 GaN の表面粗さの変化 (a) 20μm * 20μm および (b) 5μm * 5μm の走査領域
図 4: (a) GaN (0002) の半値幅。 （b）GaN（10-15）。 （c）GaN（10-12）
3. 結論
この研究では、ホットウォール MOCVD 技術を使用した SiC (000-1) 基板上の N 分極 GaN 層の成長を体系的に比較し、a 面で 4 °、m 面で 4 °、m 面で 1 ° の基板配向角が材料特性に及ぼす影響を分析することに焦点を当てました。この研究では、2 ステップおよび新規のマルチステップ温度プロセスに対する成長温度の影響を調査し、ステップ フロー成長モードが 4 ° の角度の基板上で発生する可能性があることを発見しました。ただし、表面異方性の挙動により、ステップ形態には大きな違いがあります。a 面 ([11-20] 方向) に偏った基板の場合、A タイプと B タイプの両方のステップ エッジが同時に存在する可能性があります。 m 面 ([1-100] 方向) に偏った基板では、通常、A タイプまたは B タイプのシングル エッジのみが現れます。さらに、ステップ高さ (ESB) と成長温度および配向角の間の相関関係を含む、N 分極 GaN の表面形態特性を分析しました。
m面への偏角が1°の基板では、成長温度950℃～1100℃の範囲では吸着原子の拡散長が不足し、表面に六角形の山のような構造が形成されます。複数段階の温度プロセスを使用すると、このような丘のような欠陥を抑制し、段階的な曲げ成長を促進し、表面形態を改善できますが、転位密度の増加も観察されています。
この研究では、2段階温度法では、上部GaN層の成長温度が上昇するにつれて、3種類の基板すべてで表面粗さの減少とXRDロッキングカーブ幅の狭まりが見られ、結晶品質の向上が示されたことも示されました。傾斜角が 4°の基板の場合、多段階温度プロセスと最高温度での 2 段階プロセスの間の XRC 性能の差は顕著ではありません。しかし、マルチステップ法は表面粗さをさらに低減する上で大きな利点があり、特にm面に対して4°の角度で基板上に成長させたN分極GaNの場合、20μm×20μmの範囲で1.5nmという低い二乗平均平方根粗さを達成します。転位密度の減少の結果と組み合わせると、多段階の温度成長戦略が、a 面と m 面の間の角度が 4° である SiC 基板のエピタキシャル成長経路として非常に有望であることがわかります。
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参照：
Zhang、H.、Chen、JT、Papamichail、A.、Persson、I.、Tran、DQ、Paskov、PP、および Darakchieva、V. (2025)。 4H-SiC (0001̄) 上にホットウォール MOCVD によって成長させた N 極性 GaN の構造特性に対する基板方位角の影響。結晶成長ジャーナル、651、127971。