Forskning om HVPE-tillväxt av högkvalitativt semipolärt AlN på M-Plane Sapphire Substrate +
PAM-XIAMEN kan odla semi-polära AlN-filmer på m-face safirsubstrat. För att få ytterligare waferspecifikationer, vänligen skriv till[email protected]
Aluminiumnitrid (AlN), som det direkta bandgap-halvledarmaterialet med det bredaste bandgapet (6,2eV) bland grupp III-nitrider, har viktiga tillämpningsmöjligheter i optoelektroniska enheter med djupt ultraviolett ljus. Jämfört med traditionellt polärt c-plan AlN kan semipolärt AlN (såsom (10-13) och (11-22) kristallplan) effektivt undertrycka quantum confinement Stark-effekten (QCSE), och därigenom förbättra enhetens luminescenseffektivitet; Men på grund av den betydande gallret och termiska oöverensstämmelsen mellan AlN och safirsubstrat, står det fortfarande för utmaningar att odla högkvalitativt semipolärt AlN direkt på dem. Tekniken för hydrerad ångfasepitaxi (HVPE) är mycket lämplig för framställning av tjockfilms-AlN på grund av dess höga tillväxthastighet och låga kostnadsfördelar. Baserat på detta antog forskare HVPE-teknik för att optimera processen att odla högkvalitativa semipolära AlN-tunna filmer på m-plan safirsubstrat.
1. Effekt av högtemperaturnitridion på orientering och kvalitet av semipolärt AlN
Högtemperaturnitreringsbehandling är ett nyckelsteg för att reglera kristallorienteringen och kvaliteten hos semipolärt AlN. Forskning utförd av Li et al. har visat att prover utan nitreringsbehandling uppvisar blandade orienteringar av (10-13) och (10-11), medan prover nitrerade vid 1400°C uppvisar en enda (10-13) orientering. Röntgengungningskurvan (XRC) visade att den fulla bredden vid halva maximum (FWHM) av det nitrerade provet minskade med 47 %, vilket indikerar att nitrideringsbehandlingen signifikant förbättrade kristallkvaliteten.
Ytterligare forskning har funnit att nitreringstemperatur har en betydande inverkan på kvaliteten på AlN. Vid en nitreringstemperatur på 1300°C nådde FWHM för (10-13) och (0002) diffraktion sina minimivärden på 0,343° respektive 0,409°. Genom svepelektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM) observationer fann man att under nitreringsprocessen sönderdelas safirytan för att bilda nanoporer, vars storlek och densitet varierar med nitreringstemperaturen. Vid 1300°C är den genomsnittliga storleken på nanoporer cirka 70nm, med hög densitet, vilket hjälper till att främja snabb sammanslagning av AlN-korn i de tidiga tillväxtstadierna.
Fig. 1 XRD-jämförelse av semipolära AlN-filmer utan/med nitreringsbehandling, som visar förändringen i kristallorientering före och efter nitrering
2. Synergistisk effekt av högtemperaturbuffertskikt och nitridering på AlN
Införandet av ett högtemperaturbuffertskikt optimerade ytterligare kristallkvaliteten hos semipolärt AlN. Genom att jämföra prover med olika kombinationer av nitreringstemperatur och buffertskiktstemperatur, fann man att endast när både nitrerings- och buffertskiktstemperaturen ökades till 1300°C (prov D), kunde en enda (10-13) orienterad AlN-film erhållas. Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)-analys visade att högtemperaturbehandling avsevärt minskade bindningsförhållandet av föroreningar som Al-O och N-Al-O, ökade Al-N-bindningsinnehållet och därmed förbättrade filmens kemiska renhet och kristallintegritet.
Fig. 2 XPS-spektrajämförelse av AlN på safir (prov A, B, C och D)
3. Inverkan av tillväxttemperatur och substratets avböjningsvinkel på ytans morfologi och dislokationstäthet av AlN
Tillväxttemperaturen har en betydande inverkan på ytmorfologin och kristallkvaliteten hos AlN. När temperaturen ökar från 1380°C till 1530°C ökar kornstorleken på AlN och korndensiteten minskar, men ytan är fortfarande inte helt sammanfogad. Efter att ha introducerat ett m-planet safirsubstrat med en lutningsvinkel på 1°, blev ytan på provet (D) som växte vid 1530°C jämnare, och XRC-FWHM minskade ytterligare, vilket tyder på en förbättring av kristallkvaliteten.
Fig. 3 Yt-SEM-bilder av AlN på Sapphire (prov A, B, C och D)
Gitterlutningsvinkeln längs [-1-123]-riktningen analyserades med användning av röntgen-reciprok rymdkartläggning (RSM), och tätheten av misspassade dislokationer (MD) beräknades. Resultaten indikerar att under förhållandena 1530°C och 1° avvikelsevinkel, är MD-densiteten den lägsta, vid 6,7 × 10⁵cm⁻², vilket är gynnsamt för spänningsfrigöring och kornsammansmältning.
Fig. 4 Röntgen ömsesidig rymdkartläggning av AlN-filmprover
Genom att optimera högtemperaturnitreringstemperaturen, buffertskiktsprocessen, tillväxttemperaturen och substratets avböjningsvinkel, kan högkvalitativa, enkelorienterade semi-polära AlN-tunna filmer framgångsrikt framställas på m-plan safir. Den (10-13) AIN som erhålls vid en temperaturkombination av 1300°C nitrering och buffertskikt har den optimala kristallkvaliteten; Vid en tillväxttemperatur på 1530°C och substratförhållanden med 1° vinkel, (11-22) uppvisar AlN den lägsta dislokationsdensiteten och optimal ytplanhet. Dessa processstrategier ger en viktig teknisk grund för tillämpningen av semi-polär AlN i djupa ultravioletta optoelektroniska enheter.
Oavsett om du behöver AlN-material för forskning eller för industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].
Referenser:
- Li, X., Zhao, J., Liu, T., Lu, Y., & Zhang, J. (2021). Tillväxt av semi-polär (10-13) AlN-film på M-Plane Sapphire med högtemperaturnitrering av HVPE. Material, 14(7), 1722.
- Zhang, Q., Li, X., Zhao, J., Sun, Z., Lu, Y., Liu, T., & Zhang, J. (2021). Effekt av högtemperaturnitridering och buffertskikt på halvpolär (10-13) AlN odlad på safir av HVPE. Micromachines, 12(10), 1153.
- Maosong, S., Ting, L., Yong, L., Shuxin, T., Xu, L., Jicai, Z., & Wenhong, S. (2022). Inverkan av tillväxttemperatur och felskuren vinkel för safirsubstrat i m-plan på den semi-polära (11-22) AlN-filmen odlad av HVPE. Frontiers in Physics, 10, 1076895.