Optimalizace rané fáze heteroepitaxního růstu polovodičových filmů

Abstract

Vysoké hustoty vláknových dislokací (TDs) vznikají v důsledku mřížkového nesouladu (misfitu) mezi nitridovými vrstvami III-A skupiny a rozdílnými substráty (např. AlN na Si s 19% misfitem) což významně snižuje účinnost pokročilých elektronických a optoelektronických zařízení. Tato práce srovnává počáteční fáze růstu a mechanismy tvorby defektů ve vrstvách InGaN a AlN pěstovaných epitaxí z kovově-organických par (MOVPE), depozicí atomárních vrstev (ALD) a fyzikální depozicí z par (PVD), včetně naprašování z terčů. Komplexní analýza povrchu pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM) a mikroskopie atomárních sil (AFM) odhalila, že materiály rostené metodou MOVPE vykazovaly tvorbu V-pitů, jejichž krystalografická orientace a hustota přímo korelovaly s podpovrchovými vláknovými dislokacemi. Naproti tomu vrstvy připravené metodou PVD povětšinou vykazovaly ostrůvkový růst. Oproti tomu vrstvy z ALD vykazovaly za studovaných podmínek amorfní charakter s vysokou drsností povrchu a významnou kontaminací. Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) poskytla důležitý vhled do struktury defektů a uvolňování napětí ve vrstvách. Vrstvy AlN pěstované pomocí MOVPE vykazovaly různé typy vláknových dislokací (hranového typu a, smíšeného typu a+c, šroubového typu c), přičemž optimalizovaný dvoukrokový růstový proces a řízená rychlost depozice výrazně snížily celkové hustoty těchto dislokací z >1010 cm až na 1.75×109 cm. U InGaNu byly velké V-pity spojeny se smíšenými vláknovými dislokacemi typu a+c, zatímco menší V-pity vznikaly z bazálních poruch vrstevných chyb, které se přeměnily na hranové a-typ dislokace. AlN vrstvy připravené pomocí PVD byly převážně polykrystalické s dislokacemi primárně omezenými na hranice zrn. Měření proudem indukovaným elektronovým svazkem (EBIC) potvrdila, že specifické typy vláknových dislokací, zejména smíšené dislokace typu a+c a šroubové TDs typu c, působí jako silná rekombinační centra nosičů náboje. Velké V-pity, které byly spojeny s c-typem dislokací, vykazují nejvyšší rekombinační aktivitu, což přímo zhoršuje účinnost heterostruktur. Tento výzkum poskytuje zásadní srovnání a pochopení tvorby defektů napříč různými růstovými metodami III-nitridů. Poukazuje na možnosti změny mechanismů odpovědných za nukleace vláknových dislokací, čímž může vést ke zlepšení účinnosti polovodičových struktur na bázi III-nitridů.

High densities of threading dislocations (TDs) arising from lattice mismatch between III-nitride films and foreign substrates (e.g., AlN on Si with 19% misfit) significantly impede the efficiency of advanced electronic and optoelectronic devices. This work presents a comparative study investigating the initial growth stages and defect formation mechanisms in InGaN and AlN layers grown by Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy (MOVPE), Atomic Layer Deposition (ALD), and Physical Vapour Deposition (PVD) techniques, including sputtering. Through comprehensive surface analysis using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM), we observed that MOVPE-grown materials consistently developed V-pits, whose crystallographic orientation and density were directly correlated with underlying TDs. In contrast, PVD films typically exhibited growth islands, while ALD depositions under the studied conditions resulted in amorphous layers characterized by high surface roughness and significant contamination. Transmission Electron Microscopy (TEM) provided critical insights into internal defect structures and strain relaxation. MOVPE-grown AlN films showed varying TD types (a-type edge, a+c-type mixed, c-type screw), with optimized two-step growth processes and controlled deposition rates notably reducing overall TD densities from >1010 cm to as low as 1.75×109 cm. For InGaN, large V-pits were definitively linked to a+c-type mixed TDs, while smaller V-pits originated from basal stacking faults transforming into a-type edge dislocations. Conversely, PVD-grown AlN was predominantly polycrystalline with dislocations primarily confined to grain boundaries. Electron Beam Induced Current (EBIC) measurements confirmed that specific TD types, particularly a+c-type mixed and c-type screw TDs, act as potent recombination centres of charge carriers. Large V-pits were attributed to c-type dislocations exhibiting the highest recombination activity, which directly impairing device performance. This research provides crucial comparative understanding of defect generation across varied III-nitride growth methodologies. It highlights pathways for manipulating TD nucleation which may ultimately enhance the efficiency of III-nitride-based semiconductor devices.