Fabrication of heteroepitaxial templates for GaN-based optoelectronic devices

Abstract

In this work the growth of GaN and AlGaN thin-films by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on sapphire substrates is studied. The objective of the study is to improve the performance of optoelectronic devices by reducing the density of threading dislocations (TDs) in nitride semiconductor films. The quality of the thin-films is analyzed by x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM).

A new multistep method for the growth of a GaN nucleation layer (NL) is presented. The method consists of cyclically depositing a layer of GaN at a lower temperature (LT-GaN) and recrystallizing this layer into GaN islands in an in-situ annealing step. After the recrystallization a new LT-GaN layer can be deposited and recrystallized onto the existing islands to increase their size. The method enables a reduction in the density of nucleation islands (NIs) and their boundaries. AFM is utilized to demonstrate a reduction in the density NIs to a value of 1.7×107 cm−2.

Process parameter optimization is utilized to stimulate growth of NIs in the vertical direction. This causes TDs to incline inside the NIs, which is demonstrated by TEM. A smaller density for the NIs enables a prolonged vertical growth period enhancing the inclination of TDs. Theoretical studies indicate that inclined TDs are able to react with each other by annihilation or fusion. The multistep method is used to fabricate GaN thin-films with a TD density of only 5×107 cm−2. This result is demonstrated by AFM and TEM measurements. Qualitatively the improvement in crystalline quality is demonstrated by XRD.

Finally the multistep method is adapted to the MOCVD growth of Al0.12Ga0.88N layers on sapphire substrates. The method is used to grow crack-free Al0.12Ga0.88N layers with a thickness of 2 µm on a GaN NL. A TD density of 5×108 cm−2 in these films is demonstrated by AFM and XRD. TEM is used to study the relaxation of the films and the formation of TDs at the Al0.12Ga0.88N-substrate interface.

Tässä työssä tutkitaan GaN ja AlGaN ohutkalvojen valmistusta safiirialustalle metallo-orgaanisella kaasufaasikasvatuksella (MOCVD). Tavoitteena on etenevien dislokaatioiden tiheyden pienentäminen nitridipuolijohdekalvoissa optoelektronisten komponenttien suorituskyvyn parantamiseksi. Ohutkalvojen laatua analysoidaan röntgendiffraktiolla (XRD), atomivoimamikroskopialla (AFM) ja transmissioelektronimikroskopialla (TEM).

Työssä esitetään uusi monivaiheinen menetelmä GaN ydintymiskerroksen valmistamiseksi. Menetelmässä valmistetaan jaksoittain ensin matalammassa lämpötilassa järjestäytymätön GaN kerros, joka kiteytetään GaN saarekkeiksi in-situ lämpökäsittelyllä. Kiteyttämisen jälkeen saarekkeiden päälle valmistetaan uusi matalamman lämpötilan GaN kerros, joka voidaan jälleen kiteyttää saarekekoon kasvattamiseksi. Menetelmä mahdollistaa ydintymissaarekkeiden sekä näiden välisten rajapintojen tiheyden pienentämisen. AFM mittauksilla osoitetaan ydintymissaarekkeiden tiheyden pieneneminen arvoon 1,7x107 cm-2.

Prosessiparametrien optimoinnilla ydintymissaarekkeet saadaan kasvamaan pystysuunnassa, mikä aiheuttaa etenevien dislokaatioiden taipumista ydintymissaarekkeiden sisällä. Tämä osoitetaan TEM mittauksilla. Pienempi saareketiheys GaN ydintymiskerroksessa mahdollistaa pidemmän ajan ydintymissaarekkeiden pystysuuntaiselle kasvulle, mikä on edullista etenevien dislokaatioiden taipumiselle. Teoreettinen tarkastelu osoittaa, että taipuneet etenevät dislokaatiot voivat kohdatessaan reagoida toistensa kanssa annihiloitumalla tai fuusioitumalla. Monivaiheisella menetelmällä valmistetaan heteroepitaksiaalisia GaN ohutkalvoja, joissa etenevien dislokaatioiden tiheys on vain 5x107 cm-2. Tämä tulos osoitetaan AFM ja TEM mittauksilla. Kvalitatiivisesti kidelaadun paraneminen osoitetaan XRD mittauksilla.

Lopulta monivaiheista valmistusmenetelmää sovelletaan Al0.12Ga0.88N kalvojen MOCVD valmistukseen safiirisubstraatille. Menetelmällä valmistetaan n. 2 µm paksuisia halkeilemattomia Al0.12Ga0.88N kalvoja GaN ydintymiskerroksen päälle. Kalvoissa etenevien dislokaatioiden tiheys on 5x108 cm-2. Tämä tulos osoitetaan AFM ja XRD mittauksilla. TEM mittauksilla selvitetään kalvojen relaksoitumista sekä etenevien dislokaatioiden muodostumista Al0.12Ga0.88N-substraatti rajapintaan.