사파이어 기판의 오프컷 각도가 질화알루미늄 박막 성장에 미치는 영향 +
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AlN 및 그 합금 재료는 심자외선 광전자 장치(200~280nm)를 제조하기 위한 핵심 구성 요소로, 정수, 표면 소독, 가스 감지 및 의료 진단 분야에서 광범위한 응용 분야를 찾습니다. 그러나 AlN과 사파이어 사이의 심각한 격자 불일치와 열팽창 계수의 차이로 인해 에피택셜 성장된 AlN 필름은 일반적으로 높은 스레딩 전위 밀도를 나타내므로 장치 효율성과 수명이 제한됩니다. 사파이어 기판의 오프 컷 각도(잘못된 각도)는 에피택셜 층의 성장 모드를 조절하는 핵심 매개변수입니다. 오프 컷 각도를 조정하면 표면 계단 구조가 변경되어 필름의 형태와 결함 분포에 영향을 미칠 수 있습니다.
1. 사파이어 오프컷 각도의 정밀 측정 및 AlN 표면 형태의 조절
AlN 성장 모드에 대한 오프 컷 각도의 영향은 일반적으로 0.1°~0.2°의 미묘한 범위 내에서 발생하므로 정확한 측정이 중요합니다. Enslinet al. X선 회절과 광학 정렬 방법을 함께 사용하여 c면 사파이어 기판의 오프 컷 각도를 ±0.015°의 정확도로 고정밀도로 측정했습니다. AlN의 에피택셜 측면 과성장(ELO)에서 오프 컷 각도가 0.14° 미만이면 표면이 물결 모양 형태를 나타냅니다. 0.14° 이상에서는 최대 20nm 높이의 매크로 단계가 나타납니다. 이 전환은 성장 중 단계 가장자리의 융합 및 재구성과 관련이 있습니다.
그림 1. 다양한 오프컷 각도에서 ELO-AlN/사파이어 표면의 AFM 이미지
Okadaet al. ELO-AlN 형태에 대한 0.15°~2.0° 범위의 오프 컷 각도의 영향을 추가로 조사했습니다. 그들은 오프 컷 각도가 증가함에 따라 매크로 단계의 수가 증가한다는 것을 발견했습니다. 0.8° 이상의 오프 컷 각도를 갖는 기판에서는 각 트렌치/리지 기간 내에 두 개의 매크로 단계가 나타날 수 있습니다(그림 2 참조). 이 연구에서는 또한 전위를 줄이는 데 있어서 오프 컷 각도의 효과가 0.8°를 초과하여 포화되는 경향이 있으며(그림 3 참조), 이는 최적화를 위한 효과적인 상한선을 나타냅니다.
그림 2 다양한 오프컷 각도에서 ELO-AlN의 형태 및 거시적 단계 형성
그림 3 ELO-AlN의 식각 피트 밀도에 대한 사파이어 오프 컷 각도의 영향
기판 오프 컷 각도의 영향은 AlN의 HVPE(수소화물 기상 에피택시) 성장에서도 중요합니다. Li 등의 연구. 0.2° 오프 컷을 갖는 사파이어 기판에서 필름은 낮은 V/III 비율 조건에서 단계 흐름 형태를 나타내는 반면, 높은 V/III 비율에서는 단계 번칭이 발생한다는 것을 보여주었습니다. 대조적으로, 4° 오프 컷이 있는 기판에서는 표면이 V/III 비율에 관계없이 지속적으로 매크로 단계와 거친 형태를 나타냅니다. 이는 오프 컷 각도가 성장 조건과 함께 표면 형태의 진화를 공동 조절한다는 것을 나타냅니다.
그림 4 다양한 오프컷 각도와 V/III 비율에 따른 HVPE-AlN 표면 형태의 진화
2. 나AlN 필름의 결함 분포 및 소멸에 대한 오프컷 각도의 영향
오프 컷 각도는 표면 형태에 영향을 미칠 뿐만 아니라 스레딩 전위의 분포 및 소멸 동작을 크게 변경합니다. ELO AlN에서 오프 컷 각도가 0.14°를 초과하는 샘플은 매크로 단계의 형성이 나사산 전위의 기울어짐을 촉진하여 후속 성장 중에 일부 전위가 소멸된다는 것을 보여줍니다. 원자력 현미경 및 주사 투과 전자 현미경 분석은 Okada 등이 관찰한 현상과 일치하여 결함이 스텝 가장자리 영역에 종종 축적되는 것을 나타냅니다. 여기서 전위는 높은 전위 밀도 영역을 형성하는 계단 가장자리에 클러스터됩니다.
그림 5 ELO AlN/사파이어 필름의 표면 형태 및 단면 결함 분포 특성 분석
높은 오프 컷 각도 기판(예: 4°)에서 성장한 HVPE-AlN 필름에서는 기울어진 전위가 많이 관찰될 수 있습니다. 이러한 전위는 전파 중에 상호작용하고 소멸되어 전위 밀도를 감소시키는 경향이 있습니다. 고해상도 STEM 이미지는 높은 오프 컷 기판의 계단 구조가 AlN 입자의 기울어진 성장을 촉진하여 전위가 경사면을 따라 확장되도록 유도할 수 있음을 추가로 보여줍니다. 이 메커니즘은 ELO-AlN에서 관찰된 계단식 묶음 유도 전위 기울기와 일치합니다.
그림 6. 오프 컷 각도가 높은 기판에서 성장한 HVPE-AlN의 기울어진 전위 분포
3. 오프컷 각도 최적화 및 장치 성능 향상
ELO 성장과 함께 오프 컷 각도를 최적화함으로써 전위 밀도를 효과적으로 줄일 수 있습니다. Okada 등은 0.15° 오프 컷 기판에서 ELO-AlN 층 두께를 15.9μm로 증가시켜 낮은 전위 영역에서 2.1×10⁶ cm⁻²만큼 낮은 에칭 피트 밀도를 갖는 고품질 템플릿을 달성했습니다. 이는 두께와 오프 컷 각도의 공동 최적화가 전위 소멸을 더욱 촉진할 수 있음을 보여줍니다.
그림 7 ELO-AlN 층 두께가 전위 밀도에 미치는 영향
표면 형태와 결함 분포의 개선은 자외선 레이저 장치의 성능을 직접적으로 향상시킵니다. Enslinet al. 매크로 단계 없이 매끄러운 표면에서 성장한 레이저 구조의 임계 여기 전력 밀도는 1.7MW/cm²인 반면, 이 값은 계단형 형태를 갖는 샘플에서 2.8MW/cm²로 증가한 것으로 나타났습니다. 매크로 단계에 의해 유도된 계면 거칠기는 광학 산란 손실 및 Ga 조성 불균일성을 유발하여 광학 손실을 증가시킬 수 있습니다.
오프 컷 각도를 정밀하게 제어하고 ELO/HVPE 공정과 두께 최적화를 결합함으로써 전위 밀도가 낮고 표면이 매끄러운 AlN 템플릿을 구현할 수 있어 고성능 심자외선 광전자 장치 제작을 위한 견고한 기반을 마련할 수 있습니다.
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참조:
- Enslin, J., Knauer, A., Mogilatenko, A., Mehnke, F., Martens, M., Kuhn, C., … & Kneissl, M. (2019). 광학적으로 펌핑된 UVC 레이저에 대한 에피택시 측면으로 자란 AlN의 형태 및 국소 결함 분포에 대한 사파이어 오프 컷 및 영향 결정. 물리 상태 고체(a), 216(24), 1900682.
- Okada, N., Saito, T., Fujikawa, S., Maeda, N., Jo, M., Hirayama, H., & Tadatomo, K. (2022). AlN의 에피택셜 측면 과성장을 위한 사파이어의 오프 컷 각도 조사 및 고품질 AlN 템플릿 제작. 결정 성장 저널, 588, 126640.
- Su, XJ, Chen, JJ, Wang, LH, Huang, J., Niu, MT, Wang, X., … & Xu, K.(2022). HVPE로 성장한 AlN 필름의 표면 형태와 미세 구조에 대한 사파이어 기판의 잘못된 영향. 결정 성장 저널, 592, 126731.