Notizia

Jan 17, 2024

Miglioramento del nitruro di gallio su silicio (111) mediante impulso atomico

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8793 (2023) Citare questo articolo

302 accessi

Dettagli sulle metriche

La capacità di configurare lo strato tampone ottimale per la crescita del GaN dipende dalla conoscenza dei processi di rilassamento che si verificano durante la fase di raffreddamento contrastando le sollecitazioni di trazione dovute al contrasto del coefficiente di dilatazione termica tra il substrato di GaN e Si(111). Qui, inauguriamo lo strato AlN dell'epitassia dello strato atomico a impulsi (PALE) per rinforzare lo strato buffer per ottenere uno spesso epistrato GaN che è fondamentale per i dispositivi di potenza ad alte prestazioni. Vengono studiate le caratteristiche del GaN cresciuto su substrato di Si basato sullo spessore PALE AlN di 0 ~ 100 nm insieme all'evoluzione microstrutturale tra AlN NL e lo strato tampone AlGaN con classificazione della composizione. È stato osservato che lo strato PALE AlN depositato con uno spessore ottimale di 50 nm e superiore mostra una superficie epistrato GaN coalizzato altamente uniforme con rugosità quadratica media (RMS) di 0,512 nm. Lo spessore dello strato PALE AlN ha influenzato sostanzialmente la cristallinità dell'epistrato superiore di GaN dove è stato ottenuto il valore più basso per l'analisi della curva di oscillazione dei raggi X simmetrica (0 0 0 2) e asimmetrica (1 0 -1 2), indicando la riduzione di densità delle dislocazioni threading nella struttura di crescita. La transizione del picco E2 (alto) dallo spettro Raman mostra che la compressione della deformazione nell'epistrato GaN è direttamente proporzionale allo spessore dello strato PALE AlN.

Nell'interesse di vantaggi quali elevata mobilità degli elettroni, elevato campo di rottura, ampio gap di banda (3,4 eV), elevata velocità di deriva degli elettroni saturi e buona stabilità termica, il nitruro di gallio (GaN) è considerato una scelta cruciale per applicazioni ad alta potenza e alta frequenza dispositivi elettronici, diodi a emissione luminosa (LED) e diodi laser1,2. Il GaN viene generalmente coltivato su substrati di zaffiro, SiC e Si. La stessa infrastruttura di fabbricazione può ancora essere utilizzata per ottenere questa crescita sul silicio, riducendo la necessità di luoghi di produzione costosi e sfruttando wafer di silicio di grande diametro facilmente disponibili a basso costo. Parallelamente, un miglioramento dei dispositivi elettronici GaN su substrati di Si sembra superare molte delle maggiori difficoltà3.

Nei rapporti precedenti, la crescita del GaN sulle strutture Si si è concentrata sull'ingegneria della deformazione per compensare la grande deformazione estrinseca introducendo strati intermedi come nitruro di alluminio a 2 fasi (AlN)4, strati tampone graduati di nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) (BL )5, superreticolo a strati deformati AlN/GaN (SLS)6 e alcuni nuovi metodi come la nitridazione7 e il substrato per l'impianto di ioni8. Per ottenere pellicole epitassiali di GaN di alta qualità e prive di crepe su substrati di Si, è indispensabile uno strato di nucleazione AlN di alta qualità (NL), il primo strato tampone. Lo strato AlN può impedire la reazione di attacco di fusione tra gli atomi di Si e Ga, e questa capacità di avviare l'intera crescita epitassiale è uno dei motivi per cui AlN è uno dei materiali più appropriati. Inoltre, AlN ha una costante reticolare nel piano inferiore (3,112 Å) rispetto a GaN (3,189 Å), con conseguente stress di compressione nello strato epitassiale di GaN9. In definitiva, l'AlN può essere coltivato all'interno dello stesso sistema MOCVD, il che è molto vantaggioso in termini di riduzione di tempi e costi.

Recentemente, sono stati riportati lavori eccezionali sulla crescita di uno strato AlN monocristallino tramite il metodo PALE (pulse atomic-layer epitaxy)10,11,12,13. È stato proposto che le reazioni parassitarie tra i precursori TMAl e NH3 possano essere evitate dalla crescita dello strato PALE AlN favorendo contemporaneamente la migrazione degli adatomi di Al sulla superficie del substrato. Pertanto, è possibile ottenere un epistrato AlN di alta qualità con basse densità di dislocazione filettante (TDD) e superfici lisce e piatte al di sotto della temperatura di crescita convenzionale tramite il sistema MOCVD convenzionale14. Sebbene la maggior parte delle ricerche siano state condotte sul substrato di zaffiro del piano c, Altuntas et al. hanno studiato l'effetto della temperatura di crescita PALE AlN sul Si(111) sulla sua qualità15. Si è concluso che l'aumento della temperatura di crescita migliorerebbe la cristallinità cambiando la modalità di crescita da un aspetto simile a 2D a una struttura simile a una colonna. Questi risultati significativi costituiscono la base per ulteriori miglioramenti della crescita di GaN su Si(111) che utilizzano AlN NL cresciuto a temperature relativamente basse.