Inverkan av avskuren vinkel av safirsubstrat på tillväxten av tunna aluminiumnitridfilmer +

PAM-XIAMEN kan erbjuda safirbaserade AlN tunnfilmstillväxttjänster. För mer information, vänligen kontakta:[email protected]

AlN och dess legeringsmaterial är kärnkomponenter för tillverkning av djupa ultravioletta optoelektroniska enheter (200–280nm), som hittar omfattande tillämpningar inom vattenrening, ytdesinfektion, gasavkänning och medicinsk diagnostik. På grund av den betydande gittermissanpassningen och skillnaden i termiska expansionskoefficienter mellan AlN och safir uppvisar epitaxiellt odlade AlN-filmer vanligtvis en hög gängdislokationstäthet, vilket begränsar enhetens effektivitet och livslängd. Safirsubstratets avskurna vinkel (felskärningsvinkeln) är en nyckelparameter för att modulera det epitaxiella skiktets tillväxtmod. Genom att justera avskärningsvinkeln kan ytstegsstrukturen ändras och därigenom påverka filmens morfologi och defektfördelning.

1. Exakt mätning av Sapphire Off-Cut vinkel och dess reglering av AlN ytmorfologi

Inverkan av avskärningsvinkeln på AlN-tillväxtläget sker vanligtvis inom ett subtilt område på 0,1°–0,2°, vilket gör dess exakta mätning avgörande. Enslin et al. uppnått högprecisionsmätning av avskärningsvinkeln för c-plan safirsubstrat med röntgendiffraktion kombinerat med en optisk inriktningsmetod, med en noggrannhet på ±0,015°. Vid epitaxiell lateral överväxt (ELO) av AlN, när avskärningsvinkeln är under 0,14°, uppvisar ytan en vågig morfologi; över 0,14° visas makrosteg med höjder upp till 20nm. Denna övergång är relaterad till koalescens och rekonstruktion av stegkanter under tillväxt.

Fig. 1 AFM-bilder av ELO-AlN/safirytor under olika avskurna vinklar

Okada et al. undersökte vidare inverkan av avskurna vinklar som sträcker sig från 0,15° till 2,0° på ELO-AlN morfologi. De fann att när avskärningsvinkeln ökar, ökar antalet makrosteg. På substrat med avskurna vinklar över 0,8° kan två makrosteg uppträda inom varje dike/åsperiod (som visas i fig. 2). Studien noterade också att effektiviteten av avskuren vinkel för att reducera dislokationer tenderar att mättas över 0,8° (se fig. 3), vilket indikerar en effektiv övre gräns för optimering.

Fig. 2 Morfologi och makrostegsbildning i ELO-AlN under olika avskärningsvinklar

Fig. 3 Inverkan av safiravskärningsvinkeln på etsgropdensiteten hos ELO-AlN

Inverkan av substratets avskärningsvinkel är också signifikant i hydridångfasepitaxi (HVPE) tillväxten av AlN. Forskning av Li et al. visade att på ett safirsubstrat med en 0,2° avskärning, uppvisar filmen stegflödesmorfologi under låga V/III-förhållanden, medan stegsamling sker under höga V/III-förhållanden. Däremot, på ett substrat med en 4° avskärning, uppvisar ytan konsekvent makrosteg och en grov morfologi oavsett V/III-förhållandet. Detta indikerar att den avskurna vinkeln samreglerar ytmorfologiutvecklingen tillsammans med tillväxtförhållanden.

Fig. 4 Utveckling av ytmorfologi för HVPE-AlN under olika avskärningsvinklar och V/III-förhållanden

2. Jaginflytande av off-cut vinkel på defektdistribution och förintelse i AlN-filmer

Den avskurna vinkeln påverkar inte bara ytmorfologin utan ändrar också avsevärt fördelningen och förintelsebeteendet för gängdislokationer. I ELO AlN visar prover med avskurna vinklar över 0,14° att bildandet av makrosteg främjar lutning av gängdislokationer, vilket leder till att vissa dislokationer förintas under efterföljande tillväxt. Atomkraftsmikroskopi och scanningstransmissionselektronmikroskopi-analyser indikerar att defekter ofta ackumuleras vid stegkantområden, i överensstämmelse med fenomenet observerat av Okada et al. där dislokationer samlas vid stegkanterna och bildar områden med hög dislokationstäthet.

Fig. 5 Ytmorfologi och tvärsnittsdefektfördelningskarakterisering av en ELO AlN/safirfilm

I HVPE-AlN-filmer odlade på substrat med hög avskuren vinkel (t.ex. 4°), kan ett stort antal lutande dislokationer observeras. Dessa dislokationer är benägna att interagera och förintas under fortplantningen, vilket minskar dislokationstätheten. Högupplösta STEM-bilder avslöjar vidare att stegstrukturen på högt avskurna substrat kan främja den lutande tillväxten av AlN-korn, vilket leder dislokationer att sträcka sig längs det lutande planet. Denna mekanism överensstämmer med den stegsamlingsinducerade dislokationslutningen som observerats i ELO-AlN.

Fig. 6 Fördelning av lutade dislokationer i HVPE-AlN odlad på ett substrat med hög avskuren vinkel

3. Off-Cut vinkeloptimering och förbättring av enhetens prestanda

Genom att optimera avskärningsvinkeln i kombination med ELO-tillväxt kan dislokationstätheten reduceras effektivt. Okada et al., genom att öka ELO-AlN-skikttjockleken till 15,9 μm på ett 0,15° avskuret substrat, uppnådde en högkvalitativ mall med en etsgropstäthet så låg som 2,1×10⁶ cm⁻² i områden med låg dislokation. Detta visar att samoptimering av tjocklek och avskuren vinkel ytterligare kan främja dislokationsförintelse.

Fig. 7 Inverkan av ELO-AlN-skikttjockleken på dislokationsdensiteten

Förbättringar i ytmorfologi och defektfördelning förbättrar direkt prestandan hos ultravioletta laseranordningar. Enslin et al. fann att tröskeltätheten för excitationseffekt för laserstrukturer odlade på släta ytor utan makrosteg var 1,7 MW/cm², medan detta värde ökade till 2,8 MW/cm² i prover med stegformad morfologi. Gränssnittsgrovhet inducerad av makrosteg kan orsaka optisk spridningsförlust och Ga-sammansättningsinhomogenitet, vilket ökar den optiska förlusten.

Genom att exakt styra avskärningsvinkeln och kombinera ELO/HVPE-processer med tjockleksoptimering, kan AlN-mallar med låg dislokationsdensitet och släta ytor realiseras, vilket lägger en solid grund för tillverkning av högpresterande djupa ultravioletta optoelektroniska enheter.

Oavsett om du behöver AlN-mall för forskning eller för industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Enslin, J., Knauer, A., Mogilatenko, A., Mehnke, F., Martens, M., Kuhn, C., … & Kneissl, M. (2019). Bestämning av Sapphire Off-Cut och dess inverkan på morfologin och lokal defektfördelning i epitaxiellt lateralt övervuxen AlN för optiskt pumpade UVC-lasrar. physica status solidi (a), 216(24), 1900682.
2. Okada, N., Saito, T., Fujikawa, S., Maeda, N., Jo, M., Hirayama, H., & Tadatomo, K. (2022). Undersökning av avskuren vinkel på safir för epitaxiell lateral överväxt av AlN och tillverkning av högkvalitativ AlN-mall. Journal of Crystal Growth, 588, 126640.
3. Su, XJ, Chen, JJ, Wang, LH, Huang, J., Niu, MT, Wang, X., … & Xu, K. (2022). Inverkan av safirsubstrat felskuret på ytmorfologin och mikrostrukturen hos AlN-filmer odlade av HVPE. Journal of Crystal Growth, 592, 126731.