Технология контроля полярности тонких пленок AlN: принципы, методы и применение устройств +

PAM-XIAMEN специализируется на исследованиях и поставках шаблонов AlN на сапфире и AlN на кремнии. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, проконсультируйтесь[email protected].

Нитрид алюминия (AlN) с его превосходными свойствами, такими как широкая запрещенная зона (~ 6,2 эВ), высокая теплопроводность, высокая напряженность поля пробоя и сильные поляризационные эффекты, является идеальным материалом для изготовления оптоэлектронных устройств глубокого ультрафиолета, а также высокочастотных и мощных электронных устройств. В гетероструктурных устройствах полярность напрямую влияет на образование двумерного электронного газа (2DEG) или двумерного дырочного газа (2DHG), эффекты квантового ограничения и такие характеристики устройства, как выдерживаемость напряжения и частотные характеристики. Например, N-полярный AlN может служить задним барьерным слоем в транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT), повышая напряжение пробоя и возможности терморегулирования. И наоборот, Al-полярный AlN предлагает уникальные преимущества при разработке слоев p-типа и индукции дырочного газа. Таким образом, достижение контролируемого роста полярности AlN является основной предпосылкой для развития приложений его устройств.

1. Основные принципы контроля полярности AlN

Полярность AlN определяется последовательностью укладки атомов на начальной границе раздела роста. На Si(111) атомы Al сначала образуют эвтектический сплав (эвтектика Al-Si) с Si, способствуя обрыву Al на границе раздела и, таким образом, вызывая N-полярный рост. Если этот эвтектический слой поглощается или модулируется примесями, может произойти инверсия полярности в полярность Al. На сапфире (0001) высокотемпературное азотирование приводит к образованию на поверхности азотированного слоя, который обычно способствует N-полярному росту. Факторы во время роста, такие как соотношение V/III, температура и введение примесей, могут модулировать энергию образования полярности, обеспечивая выбор или инверсию полярности.

2. Контроль полярности и оптимизация качества кристаллов AlN на подложках Si(111)

Фан и др. добился выращивания высококачественных тонких пленок AlN с N-полярной и Al-полярной полярностью на подложках Si(111) методом плазменной молекулярно-лучевой эпитаксии (PA-MBE). Исследование показывает, что в условиях непрерывного избыточного потока Al (отношение потоков Al/N = 1,2) может быть получен N-полярный AlN со среднеквадратичной (RMS) шероховатостью поверхности 0,30 нм и полной шириной на полувысоте (FWHM) значениями 475 и 1177 угловых секунд для кривых качания XRD (002) и (102) соответственно (образец C2). Полярность проверяли методом влажного химического травления с использованием гидроксида тетраметиламмония (TMAH) и с помощью кольцевой сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии в темном поле под большим углом (HAADF-STEM). ТМАГ избирательно травит N-полярный AlN, образуя шестиугольные пирамиды, при этом Al-полярная поверхность остается гладкой.

Рис. 1. Сравнение тонких пленок AlN, выращенных на Si(111)

Рис. 2. Морфология поверхности и проверка полярности тонких пленок AlN, выращенных на Si(111): (а, д) СЭМ-изображения поперечного сечения пленок AlN, выращенных в условиях непрерывного роста (Al/N=1,2) и роста ММЭ (Al/N=1,3) соответственно; (б, е) Соответствующие АСМ-изображения размером 3 × 3 мкм²; (в, ж) – картины ДБЭЭ вдоль направлений [1120] и [1100] во время роста; (d, h) СЭМ-изображения выращенных пленок AlN до (вверху) и после (внизу) мокрого травления TMAH под углом 75°.

Рис. 3. Характеристика атомной структуры тонкой пленки N-полярного AlN с помощью HAADF-STEM: (а) ПЭМ-изображение поперечного сечения в светлом поле N-полярной пленки AlN (образец C2); (bd) Изображения HADF-STEM с атомным разрешением, полученные на границе раздела AlN/Si (зеленый прямоугольник), середине пленки (красный прямоугольник) и верхней поверхности (голубой прямоугольник) соответственно. Наложенные атомные модели показывают последовательность укладки N-полярного AlN (атомы N расположены ниже атомов Al).

Чтобы добиться инверсии полярности, исследователи использовали стратегию эпитаксии с модуляцией потока металла (MME). При использовании периодической модуляции потока Al (20 с ВКЛ/10 с ВЫКЛ) полная инверсия от N-полярности к Al-полярности была достигнута в пределах примерно 50 нм. HAADF-STEM показал, что противофазные границы (APB) образуются на плоскостях (2201), а затем аннигилируются, что приводит к чисто Al-полярной поверхности. Полученный Al-полярный AlN имел значения (002) и (102) на полувысоте 1505 и 2380 угловых секунд соответственно, а среднеквадратическую шероховатость 1,41 нм. Анализ деформации показал относительно равномерное распределение деформации при растяжении (0,113–1,160%) для N-полярного AlN, тогда как Al-полярный AlN показал более широкий диапазон деформаций (0,482–2,406%) из-за релаксации деформации во время процесса инверсии полярности. Это исследование открывает важный путь для достижения уровня проектирования полярности на кремнии.

Рис. 4. Анализ HADF-STEM инверсии полярности Al, вызванной ростом MME: (a) Изображение поперечного сечения Al-полярной пленки AlN в темном поле (образец C5), показывающее APB вблизи границы раздела; (б) Изображение поверхности пленки с атомным разрешением, подтверждающее Al-полярность; (в) Процесс возникновения и уничтожения APB на толщине ~50 нм; (d) Al-полярная область на расстоянии 60 нм от границы раздела; (д) Атомное изображение области интерфейса, показывающее APB, лежащие в кристаллических плоскостях (2201); (f – h) Увеличенные изображения области выше, на пересечении и ниже APB соответственно.

3. Оптимизация роста и контроль полярности N-полярного AlN на сапфировых подложках

Выращивание гладкого N-полярного AlN на сапфире уже давно является сложной задачей. Пампили и Пристовсек создали N-полярные шаблоны из AlN со среднеквадратичной шероховатостью субнанометра на вицинальных сапфировых подложках с помощью MOVPE. Исследование выявило, что соотношение V/III является критическим фактором, контролирующим полярность и морфологию поверхности: на сапфире с огранкой 4° ступенчатый рост и избежание образования гексагональных холмиков были возможны только при отношении V/III ниже 2. Оптимизированное окно роста было узким, а отклонение температуры превышало 20°C, что приводило к шероховатости поверхности. Кроме того, этап азотирования требовал строгого контроля продолжительности (15 с), чтобы минимизировать дефекты, вызванные повреждением подложки.

Рис. 5. Влияние соотношения V/III на морфологию поверхности AlN, выращенного на подложках сапфира, отрезанных под углом 0,2° (верхний ряд) и 4° (нижний ряд).

Рис. 6. Влияние различных температур роста на морфологию поверхности N-полярного AlN: (а) 1260°С, (б) 1280°С, (в) 1300°С

Рис. 7. Влияние времени азотирования на плотность поверхностных дефектов: (а, б) 150 с, (в) 15 с

Исследование также показало, что скорость роста влияет на ступенчатое группирование: гладкая поверхность может сохраняться при скорости ниже 0,93 мкм/ч, тогда как скорости выше 1,4 мкм/ч приводят к переходу к столбчатому росту. Путем точной настройки соотношения V/III до режима с ограниченным содержанием аммиака 0,67–0,78 можно добиться полностью покрытой Al поверхности, в результате чего получается высококачественный N-полярный AlN со среднеквадратичной шероховатостью всего 0,33 нм. Это исследование дает подробное описание процесса и механистическое объяснение контролируемого получения N-полярного AlN на сапфире.

4. Изготовление и перспективы применения структур боковой полярности AlN (LPS).

Танигава и др. успешно изготовил структуры боковой полярности AlN с периодом 2 мкм путем выращивания N-полярного AlN на узорчатых шаблонах Al-полярного AlN с помощью MOVPE. В исследовании было отмечено, что Al-полярный AlN можно выращивать при высоком соотношении V/III (~75), в то время как N-полярный AlN требует для роста низкого соотношения V/III (~5). Кроме того, высокая концентрация примеси углерода может подавлять образование слоев инверсии полярности (например, AlON), тем самым стабилизируя рост N-полярности.

Во время изготовления наклонные боковые стенки, образованные методом реактивного ионного травления (РИЭ), привели к образованию пустот при повторном росте. Обработка мокрым травлением KOH значительно улучшила вертикальность боковых стенок, что позволило успешно изготовить LPS AlN без пустот. Вертикальность боковой стенки и низкое соотношение V/III были ключом к достижению высококачественных интерфейсов полярности. Этот тип ЛПС можно использовать для изготовления генераторов второй гармоники с квазисинхронизмом (QPM) в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, что открывает новые возможности для применения AlN в нелинейных оптических устройствах.

Рис. 8. Улучшение вертикальности боковины путем мокрого травления КОН.

Рис. 9. Изготовление и проверка структур боковой полярности AlN: (а) LPS без пустот, полученный после выращивания N-полярного AlN на узорчатом шаблоне Al-полярного AlN с вертикальными боковыми стенками; (б) Принципиальная схема механизма роста

Контроль полярности является краеугольным камнем функционализации и применения устройств AlN. Стратегия ММЭ обеспечивает контролируемое приготовление и высококачественный рост N-полярного AlN на Si(111). Гладкая N-полярная эпитаксия AlN на сапфире может быть достигнута за счет низкого соотношения V/III, точного контроля температуры и кратковременного азотирования. Успешное изготовление структур с боковой полярностью еще раз демонстрирует потенциал разработки полярности в интегрированных оптических устройствах.

Если вам нужны шаблоны AlN для исследований или промышленного применения, свяжитесь с нами по электронной почте:[email protected] и [email protected].

 

Ссылки:

1. Фань С., Инь Ю., Лю Р., Чжао Х., Лю З., Сунь Ц. и Ян Х. (2024). Контроль полярности и улучшение кристаллического качества тонких пленок AlN, выращенных на подложках Si (111) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Журнал прикладной физики, 136 (14).
2. Пампили П. и Приистовсек М. (2024). Азот-полярный рост AlN на вицинальном (0001) сапфире методом MOVPE. Журнал прикладной физики, 135 (19).
3. Танигава С., Сакояма Т., Кураи С., Окада Н. и Ямада Ю. (2023). Контроль полярности AlN, выращенного на сапфировой подложке, и рост как с Al-, так и с N-полярностью. физика статус солиди (б), 260(8), 2200576.