Công nghệ kiểm soát phân cực cho màng mỏng AlN: Nguyên tắc, phương pháp và ứng dụng thiết bị +
PAM-XIAMEN tập trung vào nghiên cứu và cung cấp AlN trên sapphire và AlN trên các mẫu silicon. Để biết thêm thông tin, xin vui lòng tham khảo ý kiến[email protected].
Nhôm nitrit (AlN), với các đặc tính tuyệt vời như dải rộng (~6,2 eV), độ dẫn nhiệt cao, cường độ trường phân hủy cao và hiệu ứng phân cực mạnh, là vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị quang điện tử cực tím sâu, cũng như các thiết bị điện tử công suất cao và tần số cao. Trong các thiết bị có cấu trúc dị thể, độ phân cực ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành khí điện tử hai chiều (2DEG) hoặc khí lỗ trống hai chiều (2DHG), hiệu ứng giam cầm lượng tử và các đặc tính của thiết bị như khả năng chịu được điện áp và hiệu suất tần số. Ví dụ, AlN cực N có thể đóng vai trò là lớp rào cản phía sau trong các bóng bán dẫn có độ linh động điện tử cao (HEMT), tăng cường điện áp đánh thủng và khả năng quản lý nhiệt. Ngược lại, Al-cực AlN mang lại những lợi thế độc đáo trong kỹ thuật lớp loại p và cảm ứng khí lỗ trống. Do đó, việc đạt được sự tăng trưởng có thể kiểm soát của cực AlN là điều kiện tiên quyết cốt lõi để thúc đẩy các ứng dụng thiết bị của nó.
1. Nguyên tắc cơ bản của kiểm soát phân cực AlN
Độ phân cực của AlN được xác định bởi chuỗi nguyên tử xếp chồng ở bề mặt phát triển ban đầu. Trên Si(111), các nguyên tử Al trước tiên tạo thành hợp kim eutectic (Al–Si eutectic) với Si, thúc đẩy sự kết thúc Al ở bề mặt phân cách và do đó tạo ra sự tăng trưởng cực N. Nếu lớp eutectic này bị tiêu thụ hoặc bị biến điệu bởi tạp chất thì có thể xảy ra hiện tượng đảo ngược cực tính thành cực Al. Trên sapphire (0001), quá trình nitrat hóa ở nhiệt độ cao dẫn đến sự hình thành lớp nitrit hóa trên bề mặt, thường thúc đẩy sự phát triển của cực N. Các yếu tố trong quá trình tăng trưởng như tỷ lệ V/III, nhiệt độ và sự kết hợp tạp chất có thể điều chỉnh năng lượng hình thành phân cực, cho phép lựa chọn hoặc đảo ngược phân cực.
2. Kiểm soát phân cực và tối ưu hóa chất lượng tinh thể của AlN trên chất nền Si(111)
Fan và cộng sự. đạt được sự phát triển của màng mỏng AlN cực N và cực AlN chất lượng cao trên đế Si (111) thông qua phương pháp epit Wax chùm phân tử được hỗ trợ bằng plasma (PA-MBE). Nghiên cứu cho thấy rằng trong các điều kiện tràn Al liên tục (tỷ lệ thông lượng Al/N = 1,2), AlN cực N có độ nhám bề mặt bình phương trung bình gốc (RMS) là 0,30nm và toàn bộ chiều rộng ở các giá trị tối đa một nửa (FWHM) là 475arcsec và 1177arcsec cho các đường cong rung chuyển XRD (002) và (102), tương ứng, có thể thu được (Mẫu C2). Độ phân cực được xác minh bằng phương pháp ăn mòn hóa học ướt sử dụng tetramethylammonium hydroxit (TMAH) và bằng kính hiển vi điện tử truyền qua quét trường tối hình khuyên góc cao (HAADF-STEM). TMAH khắc chọn lọc AlN cực N, tạo thành các hình chóp lục giác, trong khi bề mặt cực Al vẫn nhẵn.
Hình 1 So sánh màng mỏng AlN được trồng trên Si(111)
Hình 2 Xác minh hình thái bề mặt và phân cực của màng mỏng AlN phát triển trên Si(111): (a, e) Ảnh SEM cắt ngang của màng AlN phát triển trong điều kiện tăng trưởng liên tục (Al/N=1.2) và tăng trưởng MME (Al/N=1.3), tương ứng; (b, f) Hình ảnh AFM 3×3μm² tương ứng; (c, g) Các mẫu RHEED dọc theo hướng [1120] và [1100] trong quá trình tăng trưởng; (d, h) Ảnh SEM nhìn nghiêng 75 ° của màng AlN đang phát triển trước (trên cùng) và sau (dưới) quá trình khắc ướt TMAH.
Hình 3. Đặc tính cấu trúc nguyên tử HAADF-STEM của màng mỏng AlN cực N: (a) Ảnh TEM mặt cắt ngang trường sáng của màng AlN cực N (Mẫu C2); (bd) Ảnh HAADF-STEM có độ phân giải nguyên tử được chụp lần lượt ở giao diện AlN/Si (hộp màu xanh lá cây), giữa phim (hộp màu đỏ) và bề mặt trên cùng (hộp màu lục lam). Các mô hình nguyên tử được phủ lên cho thấy trình tự xếp chồng của AlN cực N (nguyên tử N nằm bên dưới nguyên tử Al).
Để đạt được sự đảo ngược phân cực, các nhà nghiên cứu đã sử dụng chiến lược epit Wax điều chế dòng kim loại (MME). Bằng cách sử dụng điều chế thông lượng Al định kỳ (20 giây BẬT/10 giây TẮT), việc đảo ngược hoàn toàn từ cực N sang cực Al đã được thực hiện trong khoảng 50nm. HAADF-STEM tiết lộ rằng các ranh giới chống pha (APB) được hình thành trên các mặt phẳng (2201) và sau đó bị hủy, dẫn đến bề mặt cực Al hoàn toàn. AlN phân cực thu được thể hiện (002) và (102) FWHM lần lượt là 1505 và 2380arcsec và độ nhám RMS là 1,41nm. Phân tích biến dạng cho thấy sự phân bố biến dạng kéo tương đối đồng đều (0,113%–1,160%) đối với AlN cực N, trong khi AlN cực Al cho thấy phạm vi biến dạng rộng hơn (0,482%–2,406%) do sự giãn biến dạng trong quá trình đảo ngược cực. Nghiên cứu này cung cấp một lộ trình quan trọng để đạt được kỹ thuật phân cực cấp thiết bị trên Si.
Hình 4 Phân tích HAADF-STEM về nghịch đảo phân cực Al gây ra bởi sự tăng trưởng MME: (a) Hình ảnh cắt ngang trường tối của màng Al-cực AlN (Mẫu C5), hiển thị các APB gần giao diện; (b) Hình ảnh có độ phân giải nguyên tử của bề mặt màng xác nhận độ phân cực Al; (c) Quá trình APB hình thành và hủy diệt trong phạm vi độ dày ~50nm; ( d ) Vùng cực Al ở bước sóng 60nm tính từ giao diện; (e) Hình ảnh nguyên tử của vùng giao diện hiển thị các APB nằm trên mặt phẳng tinh thể (2201); ( f – h ) Hình ảnh phóng to của khu vực phía trên, tại giao điểm và bên dưới APB tương ứng.
3. Tối ưu hóa tăng trưởng và kiểm soát phân cực của AlN cực N trên đế Sapphire
Việc phát triển AlN cực N mịn trên sapphire từ lâu đã là một thách thức. Pampili và Pristovsek đã đạt được mẫu AlN cực N với độ nhám RMS dưới nanomet trên đế sapphire phụ thông qua MOVPE. Nghiên cứu đã xác định tỷ lệ V/III là yếu tố quan trọng kiểm soát độ phân cực và hình thái bề mặt: trên sapphire cắt góc 4°, sự tăng trưởng theo dòng chảy và tránh các gò hình lục giác chỉ có thể thực hiện được với tỷ lệ V/III dưới 2. Khoảng thời gian tăng trưởng được tối ưu hóa là hẹp, với độ lệch nhiệt độ vượt quá 20°C dẫn đến làm nhám bề mặt. Hơn nữa, bước nitrid hóa yêu cầu kiểm soát chặt chẽ thời gian (15 giây) để giảm thiểu các khuyết tật do hư hỏng chất nền.
Hình 5. Ảnh hưởng của tỷ lệ V/III đến hình thái bề mặt của AlN phát triển trên chất nền sapphire cắt rời 0,2° (hàng trên cùng) và 4° (hàng dưới cùng)
Hình 6 Ảnh hưởng của các nhiệt độ tăng trưởng khác nhau đến hình thái bề mặt của AlN cực N: (a) 1260°C, (b) 1280°C, (c) 1300°C
Hình 7 Ảnh hưởng của thời gian nitrat hóa đến mật độ khuyết tật bề mặt: (a, b) 150 s, (c) 15s
Nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng tốc độ tăng trưởng ảnh hưởng đến hoạt động phân nhóm theo từng bước: bề mặt nhẵn có thể được duy trì ở tốc độ dưới 0,93μm/h, trong khi tốc độ trên 1,4μm/h dẫn đến sự chuyển đổi sang tăng trưởng theo cột. Bằng cách tinh chỉnh tỷ lệ V/III với chế độ giới hạn amoniac là 0,67–0,78, có thể đạt được bề mặt được phủ Al hoàn toàn, tạo ra AlN phân cực N chất lượng cao với độ nhám RMS thấp tới 0,33nm. Nghiên cứu này cung cấp một cửa sổ quy trình chi tiết và giải thích cơ học cho việc điều chế AlN cực N có thể kiểm soát được trên sapphire.
4. Triển vọng chế tạo và ứng dụng của cấu trúc phân cực bên AlN (LPS)
Tanigawa và cộng sự. đã chế tạo thành công các cấu trúc phân cực bên AlN với chu kỳ 2μm bằng cách mọc lại AlN cực N trên các mẫu AlN cực có hoa văn thông qua MOVPE. Nghiên cứu lưu ý rằng AlN phân cực Al có thể được phát triển ở tỷ lệ V/III cao (~75), trong khi AlN phân cực N yêu cầu tỷ lệ V/III thấp (~5) để tăng trưởng. Hơn nữa, nồng độ tạp chất carbon cao có thể ngăn chặn sự hình thành các lớp đảo ngược phân cực (ví dụ AlON), do đó ổn định sự phát triển của cực N.
Trong quá trình chế tạo, các thành bên nghiêng được hình thành bằng phương pháp ăn mòn ion phản ứng (RIE) đã dẫn đến sự hình thành khoảng trống khi mọc lại. Việc xử lý bằng phương pháp khắc ướt KOH đã cải thiện đáng kể độ thẳng đứng của thành bên, cho phép chế tạo thành công AlN LPS không có khoảng trống. Độ thẳng đứng của thành bên và điều kiện tái sinh có tỷ lệ V/III thấp là chìa khóa để đạt được các bề mặt phân cực chất lượng cao. Loại LPS này có thể được sử dụng để chế tạo các máy phát sóng hài thứ hai khớp pha (QPM) trong dải bước sóng tia cực tím, mở ra những con đường mới cho các ứng dụng AlN trong các thiết bị quang phi tuyến.
Hình 8 Cải thiện độ thẳng đứng của thành bên bằng phương pháp khắc ướt KOH
Hình 9 Chế tạo và xác minh các cấu trúc phân cực bên AlN: (a) LPS không có khoảng trống thu được sau khi mọc lại AlN cực N trên mẫu AlN cực có hoa văn với các thành bên dọc; (b) Sơ đồ cơ chế tăng trưởng
Kiểm soát phân cực là nền tảng cho chức năng hóa và ứng dụng thiết bị của AlN. Chiến lược MME cho phép chuẩn bị có kiểm soát và tăng trưởng chất lượng cao của AlN cực N trên Si(111). Có thể đạt được quá trình epit Wax AlN cực N mượt mà trên sapphire thông qua tỷ lệ V/III thấp, kiểm soát nhiệt độ chính xác và quá trình nitrat hóa trong thời gian ngắn. Việc chế tạo thành công các cấu trúc phân cực bên càng chứng tỏ tiềm năng của kỹ thuật phân cực trong các thiết bị quang học tích hợp.
Cho dù bạn cần các mẫu AlN cho nghiên cứu hay cho các ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].
Tài liệu tham khảo:
- Fan, S., Yin, Y., Liu, R., Zhao, H., Liu, Z., Sun, Q., & Yang, H. (2024). Kiểm soát phân cực và cải thiện chất lượng tinh thể của màng mỏng AlN phát triển trên đế Si (111) bằng phương pháp epit Wax chùm phân tử. Tạp chí Vật lý Ứng dụng, 136(14).
- Pampili, P., & Pristovsek, M. (2024). Sự tăng trưởng cực nitơ của AlN trên sapphire phụ (0001) của MOVPE. Tạp chí Vật lý Ứng dụng, 135(19).
- Tanigawa, S., Sakoyama, T., Kurai, S., Okada, N., & Yamada, Y. (2023). Kiểm soát sự phân cực của AlN được trồng trên chất nền Sapphire và sự tăng trưởng với cả hai cực Al và N. trạng thái vật lý rắn (b), 260(8), 2200576.