Новости

Jan 17, 2024

Улучшение нитрида галлия на кремнии (111) с помощью импульсной атомной

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8793 (2023) Цитировать эту статью

302 доступа

Подробности о метриках

Возможность настройки оптимального буферного слоя для роста GaN зависит от знания процессов релаксации, которые происходят на этапе охлаждения при противодействии растягивающим напряжениям из-за контраста коэффициентов теплового расширения между подложкой GaN и Si(111). Здесь мы запускаем слой AlN импульсной атомно-слоевой эпитаксии (PALE), чтобы укрепить буферный слой и получить толстый эпитаксиальный слой GaN, который имеет решающее значение для высокопроизводительных мощных устройств. Исследованы характеристики выращенного GaN на подложке Si на основе PALE AlN толщиной 0 ~ 100 нм, а также микроструктурная эволюция между AlN NL и буферным слоем AlGaN с градиентным составом. Было обнаружено, что слой PALE AlN, осажденный с оптимальной толщиной 50 нм и выше, демонстрирует высокооднородную поверхность сросшегося слоя GaN со среднеквадратичной (RMS) шероховатостью 0,512 нм. Толщина слоя PALE AlN существенно влияла на кристалличность верхнего слоя GaN, где были достигнуты самые низкие значения для симметричной (0 0 0 2) и асимметричной (1 0 -1 2) рентгеновской кривой качания, что указывает на снижение плотность пронизывающих дислокаций в ростовой структуре. Переход пика E2 (high) из спектра комбинационного рассеяния света показывает, что деформационное сжатие в слое GaN прямо пропорционально толщине слоя PALE AlN.

Ввиду таких преимуществ, как высокая подвижность электронов, сильное поле пробоя, широкая запрещенная зона (3,4 эВ), высокая скорость дрейфа насыщенных электронов и хорошая термическая стабильность, нитрид галлия (GaN) считается решающим выбором для применений в мощных и высокочастотных устройствах. электронные устройства, светодиоды (LED) и лазерные диоды1,2. GaN обычно выращивают на подложках из сапфира, SiC и Si. Та же производственная инфраструктура по-прежнему может использоваться для достижения такого роста производства кремния, снижая потребность в дорогостоящих производственных площадках и используя преимущества легкодоступных кремниевых пластин большого диаметра по низкой цене. Параллельно совершенствование электронных устройств из GaN на подложках Si, по-видимому, преодолевает многие серьезные трудности3.

В предыдущих отчетах при выращивании структур GaN на Si основное внимание уделялось инженерии деформации для компенсации большой внешней деформации путем введения промежуточных слоев, таких как двухступенчатый нитрид алюминия (AlN)4, нитрид алюминия-галлия (AlGaN), градуированные буферные слои (BL). )5, сверхрешетка с напряженным слоем AlN/GaN (SLS)6 и некоторые новые методы, такие как нитридирование7 и ионная имплантация подложки8. Для получения высококачественных эпитаксиальных пленок GaN без трещин на подложках Si необходим высококачественный зародышевый слой AlN (NL), самый первый буферный слой. Слой AlN может предотвратить реакцию обратного травления между атомами Si и Ga, и эта способность инициировать весь эпитаксиальный рост является одной из причин, почему AlN является одним из наиболее подходящих материалов. Кроме того, AlN имеет меньшую постоянную решетки в плоскости (3,112 Å), чем GaN (3,189 Å), что приводит к напряжению сжатия в эпитаксиальном слое GaN9. В конечном счете, AlN можно выращивать в одной и той же системе MOCVD, что значительно сокращает время и затраты.

Недавно появились сообщения об исключительных работах по выращиванию монокристаллического слоя AlN методом импульсной атомно-слоевой эпитаксии (PALE)10,11,12,13. Было высказано предположение, что паразитных реакций между предшественниками TAl и NH3 можно избежать за счет роста слоя PALE AlN, одновременно способствуя миграции адатомов Al на поверхность подложки. Таким образом, высококачественный эпитаксиальный слой AlN с низкой плотностью пронизывающих дислокаций (TDD) и гладкими, плоскими поверхностями может быть получен при температуре ниже обычной температуры выращивания с помощью обычной системы MOCVD14. Хотя большинство исследований было проведено на сапфировой подложке с-плоскости, Altuntas et al. исследовали влияние температуры роста PALE AlN на Si(111) на его качество15. Они пришли к выводу, что повышение температуры роста улучшит кристалличность, одновременно изменив режим роста с двумерного внешнего вида на столбчатую текстуру. Эти важные результаты являются основой для дальнейшего улучшения роста GaN на Si(111), в котором используются НЛ AlN, выращенные при относительно низких температурах.