Fabrication of heteroepitaxial templates for GaN-based optoelectronic devices

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Lang, Teemu
dc.date.accessioned 2012-02-24T08:07:30Z
dc.date.available 2012-02-24T08:07:30Z
dc.date.issued 2007-02-23
dc.identifier.isbn 978-951-22-8612-6
dc.identifier.issn 1795-4584
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2836
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 49, [34]
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries TKK dissertations en
dc.relation.ispartofseries 59 en
dc.relation.haspart Additional errata file available. en
dc.relation.haspart V. E. Bougrov, M. A. Odnoblyudov, A. E. Romanov, T. Lang, O. V. Konstantinov, Threading dislocation density reduction in two-stage growth of GaN layers, physica status solidi (a) 203 (2006) R25.
dc.relation.haspart T. Lang, M. A. Odnoblyudov, V. E. Bougrov, M. Sopanen, MOCVD growth of GaN islands by multistep nucleation layer technique, Journal of Crystal Growth 277 (2005) 64. [article2.pdf] © 2005 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart T. Lang, M. A. Odnoblyudov, V. E. Bougrov, S. Suihkonen, M. Sopanen, H. Lipsanen, Morphology optimization of MOCVD-grown GaN nucleation layers by the multistep technique, Journal of Crystal Growth 292 (2006) 26. [article3.pdf] © 2006 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart T. Lang, M. A. Odnoblyudov, V. E. Bougrov, A. E. Romanov, S. Suihkonen, M. Sopanen, H. Lipsanen, Multistep method for threading dislocation density reduction in MOCVD grown GaN epilayers, physica status solidi (a) 203 (2006) R76.
dc.relation.haspart T. Lang, M. A. Odnoblyudov, V. E. Bougrov, S. Suihkonen, O. Svensk, P. T. Törmä, M. Sopanen, H. Lipsanen, Reduction of threading dislocation density in Al<sub>0.12</sub>Ga<sub>0.88</sub>N epilayers by a multistep technique, Journal of Crystal Growth (2007), in press. [article5.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart S. Suihkonen, O. Svensk, T. Lang, H. Lipsanen, M. A. Odnoblyudov, V. E. Bougrov, The effect of InGaN/GaN MQW hydrogen treatment and threading dislocation optimization on GaN LED efficiency, Journal of Crystal Growth (2007), in press. [article6.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart O. Svensk, S. Suihkonen, T. Lang, H. Lipsanen, M. Sopanen, M. A. Odnoblyudov, V. E. Bougrov, Effect of growth conditions on electrical properties of Mg-doped p-GaN, Journal of Crystal Growth (2007), in press. [article7.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Fabrication of heteroepitaxial templates for GaN-based optoelectronic devices en
dc.title Heteroepitaksiaalisten alustakiteiden valmistus GaN-pohjaisiin optoelektronisiin komponentteihin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Electrical and Communications Engineering en
dc.contributor.department Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto fi
dc.subject.keyword MOCVD en
dc.subject.keyword GaN en
dc.subject.keyword AlGaN en
dc.subject.keyword threading dislocation en
dc.subject.keyword MOCVD fi
dc.subject.keyword GaN fi
dc.subject.keyword AlGaN fi
dc.subject.keyword dislokaatio fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-008940
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.contributor.lab Micro and Nanosciences Laboratory en
dc.contributor.lab Mikro- ja nanotekniikan laboratorio fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account