AlNテンプレートにおけるV字型ピットの形成とひずみ制御におけるその役割 +
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窒化アルミニウム (AlN) は、AlGaN ベースの深紫外光電子デバイスに最適な基板材料であり、その結晶品質がデバイスの性能に直接影響します。しかし、ネイティブ基板が不足しているため、AlN は通常、有機金属化学気相成長法 (MOCVD) や水素化物気相成長法 (HVPE) などの技術を介してサファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長させられ、高密度の貫通転位と重大なひずみの蓄積を引き起こします。研究によると、貫通転位は AlN 結晶の品質に影響を与える主要な欠陥の 1 つであり、その密度は潜在的に 10⁹ ～ 10¹⁰ cm⁻² に達する可能性があります。
転位密度を低減するために、高温アニーリング、横方向エピタキシャル過成長、パターン化基板などのさまざまな方法が研究者によって開発されてきましたが、これらのプロセスは複雑でコストがかかります。近年、リン酸（H3PO4）ウェットエッチングと二次エピタキシャル成長を組み合わせてV字型のピットを作製する方法が、プロセスの簡素さと効果の高さから注目を集めています。この方法は、転位領域を選択的にエッチングしてナノボイドまたは V 字型ピットを形成し、転位の伝播経路を効果的に遮断し、AlN の結晶品質を大幅に向上させます。
1. V字型ピットの形成と構造的特徴
V 字型のピットの形成は、結晶欠陥での選択的なエッチング挙動に起因します。ヘテロエピタキシャル AlN 膜では、貫通転位 (TD) 線の周囲の原子配列の不一致により化学ポテンシャルが高くなり、酸性エッチャント中での腐食の優先チャネルとなります。研究によると、リン酸 (H3PO4) 溶液を使用した AlN テンプレートのウェット エッチングは、転位の出現点で効果的に開始され、典型的な六角形の V 字型ピットを形成することが示されています。
1.1 エッチングパラメータによるピット形態の制御
エッチングの温度と時間は、V 字型のピットのサイズ、密度、深さを制御する重要なパラメーターです。より低い温度（例えば、373K）では、エッチング反応性は弱く、表面は滑らかなままです。温度が 423K まで上昇すると、均一に分布した六角形の V 字型のピットが表面に現れ始めます。さらに温度を 473K に上げるか、エッチング時間を 7 分に延長すると、隣接する V 字型のピットが合体し、大きなボイドが形成され、AlN/サファイアの界面にまで浸透する可能性があります。
図 1 異なる温度での H3PO4 エッチング前後の AlN 表面の SEM 画像：（a）成長したままの状態。 (b) 298K。 (c) 323 K; (d) 373 K; (e) 423K; (f) 473K。
1.2 V 字ピットの幾何学的種類と転位との相関
エッチングの深さと転位の種類に基づいて、V 字型ピットは 2 つの典型的な構造に分類できます。
- α型：逆台形六角形の構造で、エッチング深さがAlN層全体を貫通し、転位が完全に除去されます。
- β型：逆ピラミッド型構造で、エッチング深さが浅く、転位が完全に除去されていない。
図 2 α 型および β 型 V 字型ピットの SEM および AFM 画像: α 型 V 字型ピットの横方向の寸法は約 1.5 ～ 1.7 μm、深さは約 709 nm であり、一次エピタキシャル AlN の厚さと一致しています。
2. V字型ピットによるAlNひずみ状態の制御
V 字型のピットの準備は、欠陥エンジニアリング方法であるだけでなく、効果的なひずみエンジニアリング戦略でもあります。選択的にエッチングして V 字型のピットを導入することにより、ヘテロエピタキシャル AlN 膜内の残留応力分布と状態を大幅に変えることができ、引張歪みから圧縮歪みへの制御された移行が可能になります。
2.1 応力緩和: ラマン分光法による証拠
ラマン分光法は応力緩和の直接的な証拠を提供します。 Lee や Zhou らによる研究では、応力のない AlN の E₂(高) フォノン モードが 657.4 ～ 657.8cm-¹ の範囲内にあることが確認されています。未処理の AlN 膜は格子不整合により残留引張応力を示し、特徴的なピーク位置にブルー シフトを引き起こします。
V 字型のピットが形成された後、E2(高) ピークの位置は体系的に赤方偏移します。 Leeらからのデータ。 7 分間のエッチング後、ピークが 659.32cm-1 にシフトし、計算された応力が -0.463GPa から -0.608GPa に減少し、効果的な応力緩和が確認されたことを示しています。
図 3 エッチング時間の増加に伴う E2(高) ピーク位置の赤方偏移 (残留応力の緩和を示す)
2.2 ひずみ状態遷移のメカニズム
V 字型のピットは二重のメカニズムによってひずみを調整します。
- ストレス源の直接的な除去:エッチングプロセスは、応力中心として機能する転位を直接除去し、局所的な格子歪みエネルギーを解放します。逆空間マップ (RSM) 解析により、AlN の回折ピークがエッチング後に緩和状態に向かってシフトし、歪み勾配が現れ、応力の再分布が確認されたことがわかります。
- 圧縮ひずみの誘発:V ピット パターンのテンプレート上での二次エピタキシャル成長中に、側壁は横方向の過成長を促進し、基板からの歪みの伝達を効果的に遮断し、新しく成長したエピ層が圧縮歪み状態を示すようにします。 RSM データとラマン データの両方で、圧縮歪み (658.65 cm-1 の E2(高) ピーク) の存在が確認されています。
このひずみ状態の遷移には、重要な応用価値があります。 Zhouらの研究で実証されているように、最初に高い引張応力を与えたAlNは表面亀裂を示したが、Vピットと二次エピタキシーで処理したサンプルは亀裂のない表面を示し、亀裂形成の抑制における圧縮歪みの積極的な役割を実証した。
図 4 RSM 画像: (a) AlN テンプレートの初期状態、(b) エッチング後の AlN テンプレート、(c) 二次エピタキシー後: 引張ひずみから圧縮ひずみへの完全な移行プロセスを示しています。
要約すると、二次エピタキシャル成長と組み合わせて、H3PO4 ウェット エッチングによって AlN テンプレートに V 字型のピットを導入することは、結晶の品質を向上させ、ひずみを制御するための効率的で低コストの戦略となります。この方法は、貫通転位の伝播を効果的に抑制するだけでなく、ひずみを引張から圧縮に移行させることも可能にし、それによって AlN ベースの光電子デバイスの性能を大幅に向上させます。
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参考文献：
- Lee, M.、Son, H.、Lee, HY、Moon, J.、Kim, H.、Park, JI, … & Kim, UJ (2020)。ナノボイド駆動の高結晶性窒化アルミニウムと太陽光を遮る UV 光検出器への応用。材料化学ジャーナル C、8(41)、14431-14438。
- Zhou, X.、Chen, Y.、Zhang, Z.、Miao, G.、Jiang, H.、Li, Z.、および Song, H. (2021)。転位に関連した V 字型ピットの準備が AlN テンプレートのひずみに及ぼす影響。薄い固体フィルム、730、138706。