Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2016, № 1 · SOLID STATE ELECTRONICS

Формирование высокотемпературных слоев AlN и AlGaN на подложках сапфира методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии

I.V. Grishchenko1, I.S. Ezubchenko1, M.L. Zanaveskin1, I.O. Maiboroda1, M.I. Presniakov1

1 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Full text UDC 621.38-022.532 EDN VOWRFP

Abstract

Epitaxial films and III-nitrides heterostructures (AlN, GaN) have found a wide application at micro and optoelectronics. The properties of AlN and AlGaN high-temperature (HT) films growths on sapphire substrates by means of ammonia MBE were studied at this paper. Reflective high energy electron diffraction (RHEED), atomic-force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM) and X-Ray diffraction were used to study the properties of epitaxial films. It was found that density of hillocks in HT AlN layers on sapphire can be reduced from 3x109 down to 2x107 per cm2 through the rise of the ammonia flux during growth process. It was shown that deposition of AlGaN films under high Ga desorption led to selective enhancement of lateral growth component at the areas of developed surface morphology. Enhanced lateral growth allowed to achieve accelerated transition to 2-D growth mode at the initial stages of growth and led to formation of stepped surface with terrace width of 1 micron. Also formation of threading pores was completely suppressed. On the basis of terrace-step-kink model (TSK model) the mechanism of lateral growth enhancement was suggested.

  • ammonia MBE
  • high electron mobility transistors
  • enhanced lateral growth
Аннотация (на русском)

Формирование высокотемпературных слоев AlN и AlGaN на подложках сапфира методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии

Эпитаксиальные пленки и гетероструктуры III-нитридов (AlN, GaN) представляют большой интерес для микро и оптоэлектроники. В данной работе исследованы особенности роста слоев AlN и AlGaN методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках сапфира. В качестве методов исследования применялись дифракция быстрых отраженных электронов, атомно-силовая микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия и рентгеновская дифракция. Установлено, что количество островковых образований, характерных для высокотемпературных слоев AlN на сапфировых подложках, может быть уменьшено с 3х109 до 2х107 на см-2 за счет увеличения потока аммиака в процессе осаждения. Показано, что при осаждении высокотемпературных слоев AlGaN в режиме активной десорбции галлия реализуется селективное усиление латеральной компоненты роста в областях с развитой морфологией рельефа. Усиление латеральной компоненты роста приводит к ускоренному переходу к двухмерному режиму роста на начальной стадии осаждения и позволяет получить пленки с атомарно гладкими террасами шириной до 1 мкм без проникающих пор, наблюдающихся в слоях AlN. На основе модели TSK предложено описание механизма усиления латерального роста в AlGaN.

For citation

Grishchenko I.V., Ezubchenko I.S., Zanaveskin M.L., Maiboroda I.O., Presniakov M.I. Формирование высокотемпературных слоев AlN и AlGaN на подложках сапфира методом аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии // Journal of Radio Electronics. – 2016. – No. 1.

References

  1. Stephen W. Kaun, Man Hoi Wong, Umesh K. Mishra, James S Speck. Molecular beam epitaxy for high-performance Ga-face GaN electron devices // Semicond. Sci. Technol., №28 (2013), p. 074001
  2. Z.Yang, L.K.Li, W.I.Wang. Highquality GaN and AlN grown by gas source molecular beam epitaxy using ammonia as the nitrogen source // J. Vac. Sci. Technol. B 14, 2354 (1996 1996)
  3. H Wang et al. The Effect of AlN Nucleation Temperature on the Growth of AlN Films via Metalorganic Chemical Vapor Deposition // Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 41, No. 3, 2012
  4. T. M. Altahtamouni, J. Li, J.Y. Lin and H.X. Jiang. Surfactant effects of gallium on quality of AlN epilayers grown via metal-organic chemical-vapour deposition on SiC substrates // J. Phys. D: Appl. Phys., 45 (2012), p. 285103
  5. A.-L.Barabasi. Surfactant-mediated surface growth: nonequilibrium theory // Fractals vol.1, No. 4, 846-859, 1993
  6. Krasovitskiy, D., Alexeev, A., Byrnaz, A., Kokin, S., Pavlenko, M., Petrov, S., Pogorelsky, M., Pogorelsky, Y., Sokolov, I., Sokolov, M., Shkurko, A. and Chaly, V. AlN/AlGaN/GaN/AlGaN multilayer heterostructures with quantum well channel on heat conducting substrates for power microwave transistors // Phys. Status Solidi C, 6: S956-S959 (2009)
  7. Fernández-Garridoet al. In situ GaN decomposition analysis by quadrupole mass spectrometry and reflection high-energy electron diffraction // J. Appl. Phys.104, 033541 (2008)
  8. A.R.Smith et al. Determination of Wurtzite GaN Lattice Polarity Based on Surface Reconstruction // App.Phys.Lett., 72, 2114, 1998
  9. Gabriel Ferro, Hajime Okumura, Toshihide Ide, Sadafumi Yoshida. RHEED monitoring of AlN epitaxial growth by plasma-assisted molecular beam epitaxy // Journal of Crystal Growth 210 (2000) 429-434
  10. V.G.Mansurov et al. AlN growth on sapphire substrate by ammonia MBE // Journal of Crystal Growth, 300 (2007), pp. 145-150
  11. Y.Wu, A.Hanlon, J.F.Kaeding, R.Sharma, P.T.Fini, S.Nakamura, J.S.Speck. Effect of nitridation on polarity, microstructure, and morphology of AlN films // Appl. Phys. Lett., Vol. 84, No. 6, 9 February 2004
  12. W. Qianetal. Open-core screw dislocations in GaN epilayers observed by scanning force microscopy and high-resolution transmission electron microscopy // Appl. Phys. Lett., Vol. 67, N. 16, 1995
  13. J. W. P. Hsu et al. Direct imaging of reverse-bias leakage through pure screw dislocations in GaN films grown by molecular beam epitaxy on GaN templates // Appl. Phys. Lett., Vol. 81, N. 1, 2002
  14. M.G.Lagally, Z.Zhang. Thin-film cliffhanger // Nature, vol 417, 907, 2002.
  15. Burton, W. K., Cabrera, N. & Frank, F. C. The Growth of Crystals and the Equilibrium Structure of their Surfaces // Phil. Trans. R. Soc. London A 243, 299-358 (1951)
  16. Y.-W. Mo, B. S. Swartzentruber, R. Kariotis, M. B. Webb, and M. G. Lagally. Growth and equilibrium structures in the epitaxy of Si on Si(001) // Phys. Rev. Lett. 63, 2393(1989)
  17. Stephen W Kaun, Baishakhi Mazumder, Micha N Fireman, Erin C H Kyle, Umesh K Mishra and James S Speck. Pure AlN layers in metal-polar AlGaN/AlN/ GaN and AlN/GaN heterostructures grown by low-temperature ammonia-based molecular beam epitaxy // Semicond. Sci. Technol. 30 (2015) 055010 (8pp)
  18. Dongjin Won, Xiaojum Weng, Joan M. Redwing. Metalorganic chemical vapor deposition of N-polar GaN films on vicinal SiC substrates using indium surfactants // Appl. Phys. Lett. 100, 021913 (2012)