Epitaxy of gallium nitride films on silicon substrates

Abstract

Metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE) of c-plane gallium nitride (GaN) on 6-inch (111) silicon substrates is studied in this thesis. GaN layers were grown by an Aixtron 6" CSS MOVPE employing an aluminium nitride nucleation layer and a step graded aluminium gallium nitride buffer layer. The epitaxial layer thicknesses were mapped over the whole wafer with a spectrophotometer. The total film thickness was approximately 2.05 micro m. The thickness uniformity was good and the standard deviation was 1.1% (10 mm edge exclusion). The wafer geometry was measured using capacitive profiling. The wafer bow was 80.1 micro m after growth. The bow was non-spherical probably due to thickness non-uniformity. Reciprocal space maps around (002) and (105) reflections were measured with x-ray diffraction. The GaN layers were under tensile strain at room temperature. The full width at half maximum of the (002) and (105) omega-scans were 800 and 770 arcsec, respectively. To further improve the structure a thicker buffer layer possibly with higher aluminium content should be used to reduce wafer bow. Also dislocation reduction techniques such as SiNx interlayers should be considered to increase crystal quality. In addition, aluminium predose instead of nitridation could be employed.

Tässä diplomityössä tutkitaan c-kidetason galliumnitridin (GaN) valmistusta metallo-organisella kaasufaasiepitaksialla (MOVPE) 6 tuuman (111)- piialustakiteille. GaN-kerrokset valmistettiin Aixtron 6" CCS MOVPE -laitteella käyttäen alumiininitridiydintymiskerrosta ja porrastettua alumiinigalliumnitridipuskurikerrosta.

Valmistettujen kerroksien paksuus mitattiin koko kiekon alueelta valkoisen valon heijastusmittauksella. Valmistettujen kerrosten yhteinen paksuus oli noin 2,05 mikro m ja kerrospaksuuden keskihajonta oli 1,1 % (tuloksesta poistettu 10 mm kiekon ulkoreunalta lukien). Kiekon geometria mitattiin kapasitiivisella profiloinnilla ja havaittiin, että kiekon kaarevuus oli 80,1 mikro m. Kaarevuus ei ollut täysin ympyräsymmetrinen johtuen todennäköisesti valmistetun kerroksen paksuusvaihtelusta. Röntgendiffraktiolla mitattiin (002)- ja (105)-heijastuksista käänteishilakartat, joiden perusteella GaN-kerrokset olivat vetojännitystilassa huoneenlämmössä. Puoliarvoleveydet (002)- ja (105)-heijastuksille olivat 800 ja 770 kaarisekuntia. Rakennetta voitaisiin parantaa käyttämällä paksumpaa puskurikerrosta tai lisäämällä alumiinin määrää kerroksissa. Kidevirheiden määrää pitäisi pienentää esimerkiksi käyttämällä piinitridivälikerroksia. Prosessi voitaisiin myös aloittaa atomaarisella alumiinipäällystyksellä pinnan nitrauksen sijaan.