Influência do ângulo de corte do substrato de safira no crescimento de filmes finos de nitreto de alumínio +
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AlN e seus materiais de liga são componentes essenciais para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos ultravioleta profundo (200–280 nm), encontrando amplas aplicações em purificação de água, desinfecção de superfícies, detecção de gases e diagnósticos médicos. No entanto, devido à significativa incompatibilidade de rede e à diferença nos coeficientes de expansão térmica entre AlN e safira, os filmes de AlN cultivados epitaxialmente normalmente exibem uma alta densidade de deslocamento de rosca, o que limita a eficiência e a vida útil do dispositivo. O ângulo de corte (ângulo de corte incorreto) do substrato de safira é um parâmetro chave para modular o modo de crescimento da camada epitaxial. Ao ajustar o ângulo de corte, a estrutura do degrau da superfície pode ser alterada, influenciando assim a morfologia do filme e a distribuição dos defeitos.
1. Medição precisa do ângulo fora do corte da safira e sua regulação da morfologia da superfície do AlN
A influência do ângulo de corte no modo de crescimento do AlN normalmente ocorre dentro de uma faixa sutil de 0,1° a 0,2°, tornando crucial sua medição precisa. Enslin et al. alcançou medição de alta precisão do ângulo de corte para substratos de safira do plano C usando difração de raios X combinada com um método de alinhamento óptico, com uma precisão de ± 0,015°. No supercrescimento lateral epitaxial (ELO) de AlN, quando o ângulo de corte é inferior a 0,14°, a superfície apresenta uma morfologia ondulada; acima de 0,14°, aparecem macropassos com alturas de até 20nm. Esta transição está relacionada à coalescência e reconstrução das bordas dos degraus durante o crescimento.
Fig. 1 Imagens AFM de superfícies ELO-AlN/safira sob diferentes ângulos de corte
Okada et al. investigou ainda mais o impacto de ângulos de corte variando de 0,15° a 2,0° na morfologia ELO-AlN. Eles descobriram que à medida que o ângulo de corte aumenta, o número de macropassos aumenta. Em substratos com ângulos de corte acima de 0,8°, dois macropassos podem aparecer dentro de cada período de trincheira/crista (como mostrado na Fig. 2). O estudo também observou que a eficácia do ângulo de corte na redução de deslocamentos tende a saturar além de 0,8° (ver Fig. 3), indicando um limite superior efetivo para otimização.
Fig. 2 Morfologia e formação de macroetapas em ELO-AlN sob diferentes ângulos de corte
Fig. 3 Influência do ângulo de corte da safira na densidade do ponto de corrosão do ELO-AlN
A influência do ângulo de corte do substrato também é significativa no crescimento da epitaxia em fase de vapor de hidreto (HVPE) do AlN. Pesquisa de Li et al. mostraram que em um substrato de safira com um corte de 0,2°, o filme exibe morfologia de fluxo escalonado sob condições de baixa relação V/III, enquanto o agrupamento escalonado ocorre sob altas proporções V/III. Em contraste, num substrato com um corte de 4°, a superfície apresenta consistentemente macro-passos e uma morfologia rugosa, independentemente da relação V/III. Isto indica que o ângulo de corte co-regula a evolução da morfologia da superfície juntamente com as condições de crescimento.
Fig. 4 Evolução da morfologia da superfície para HVPE-AlN sob diferentes ângulos de corte e relações V/III
2. EuInfluência do Ângulo Off-Cut na Distribuição e Aniquilação de Defeitos em Filmes AlN
O ângulo de corte não afeta apenas a morfologia da superfície, mas também altera significativamente a distribuição e o comportamento de aniquilação das luxações rosqueadas. No ELO AlN, amostras com ângulos de corte acima de 0,14° mostram que a formação de macropassos promove a inclinação dos deslocamentos rosqueados, levando à aniquilação de alguns deslocamentos durante o crescimento subsequente. Análises de microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de transmissão de varredura indicam que os defeitos freqüentemente se acumulam nas regiões da borda do degrau, consistente com o fenômeno observado por Okada et al. onde as discordâncias se agrupam nas bordas dos degraus formando áreas de alta densidade de discordâncias.
Fig. 5 Caracterização da morfologia da superfície e distribuição de defeitos transversais de um filme ELO AlN/safira
Em filmes de HVPE-AlN cultivados em substratos com alto ângulo de corte (por exemplo, 4°), um grande número de discordâncias inclinadas pode ser observado. Essas discordâncias são propensas a interagir e aniquilar durante a propagação, reduzindo assim a densidade de discordâncias. Imagens STEM de alta resolução revelam ainda que a estrutura escalonada em substratos com cortes altos pode promover o crescimento inclinado de grãos de AlN, guiando os deslocamentos para se estenderem ao longo do plano inclinado. Este mecanismo alinha-se com a inclinação da luxação induzida por agrupamento gradual observada em ELO-AlN.
Fig.6 Distribuição de luxações inclinadas em HVPE-AlN cultivadas em um substrato com alto ângulo de corte
3. Otimização do ângulo fora do corte e melhoria do desempenho do dispositivo
Ao otimizar o ângulo de corte em combinação com o crescimento ELO, a densidade de deslocamento pode ser efetivamente reduzida. Okada et al., aumentando a espessura da camada ELO-AlN para 15,9 μm em um substrato recortado de 0,15°, obteve um modelo de alta qualidade com uma densidade de corrosão tão baixa quanto 2,1 × 10⁶ cm⁻² em regiões de baixo deslocamento. Isto demonstra que a co-otimização da espessura e do ângulo de corte pode promover ainda mais a aniquilação das luxações.
Fig. 7 Influência da espessura da camada ELO-AlN na densidade de discordâncias
Melhorias na morfologia da superfície e na distribuição de defeitos melhoram diretamente o desempenho dos dispositivos de laser ultravioleta. Enslin et al. descobriram que o limiar de densidade de potência de excitação para estruturas de laser cultivadas em superfícies lisas sem macro-etapas foi de 1,7MW/cm², enquanto esse valor aumentou para 2,8MW/cm² em amostras com morfologia escalonada. A rugosidade da interface induzida por macroetapas pode causar perda de espalhamento óptico e falta de homogeneidade na composição de Ga, aumentando assim a perda óptica.
Ao controlar com precisão o ângulo de corte e combinar processos ELO/HVPE com otimização de espessura, modelos de AlN com baixa densidade de deslocamento e superfícies lisas podem ser realizados, estabelecendo uma base sólida para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos ultravioleta profundo de alto desempenho.
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Referências:
- Enslin, J., Knauer, A., Mogilatenko, A., Mehnke, F., Martens, M., Kuhn, C.,… & Kneissl, M. (2019). Determinação do corte de safira e sua influência na morfologia e distribuição de defeitos locais em AlN com crescimento lateral epitaxial para lasers UVC bombeados opticamente. status físico solidi (a), 216(24), 1900682.
- Okada, N., Saito, T., Fujikawa, S., Maeda, N., Jo, M., Hirayama, H., & Tadatomo, K. (2022). Investigação do ângulo de corte da safira para crescimento excessivo lateral epitaxial de AlN e fabricação de modelo de AlN de alta qualidade. Jornal de Crescimento de Cristal, 588, 126640.
- Su, XJ, Chen, JJ, Wang, LH, Huang, J., Niu, MT, Wang, X.,… e Xu, K. (2022). Influência do corte incorreto do substrato de safira na morfologia superficial e microestrutura de filmes de AlN cultivados por HVPE. Jornal de Crescimento de Cristal, 592, 126731.