MOVPE von polaren (0001) und nicht-polaren (11-20) GaN-Schichten auf strukturierten Saphir-Substraten
Abb. 1: REM-Aufnahme der Oberfläche von (0001)-GaN gewachsen auf strukturiertem c-Saphir nach a) 20 Min. Wachstumszeit und b) nach 90 Min. (Seitenansicht).
Abb. 2: In-situ gemessene Reflexion bei 950 nm (o.) und Waferkrümmung (u.) während des GaN-Wachstums auf nicht strukturiertem (schwarz) und strukturiertem (rot) c-Saphir.
Die Epitaxie Galliumnitrid (GaN)-basierter Halbleiterstrukturen auf strukturierten Saphir-Substraten ist aufgrund deren Gitterfehlanpassung besonders anspruchsvoll: Dabei muss sowohl die Anzahl von Versetzungen verringert als auch die Schichtverspannung infolge der Fehlanpassung vermindert werden. Je nach Wachstumsbedingungen kann es zur Ausbildung fehlorientierter GaN-Facetten kommen, die die Oberflächenrauigkeit und die Defektverteilung beeinträchtigen. Insbesondere die sich beim Wachstum von semipolaren oder unpolaren GaN-Schichten auf nicht (0001)-orientierten strukturierten Saphir-Oberflächen ausbildenden Schichtorientierungen müssen sorgfältig kontrolliert werden. Nur so lassen sich die für Bauelemente-Anwendungen notwendigen kristallinen und morphologischen Eigenschaften gewährleisten.
Das Schichtwachstum auf strukturierten Substraten wurde von Frau Mei-Tan Wang von der National-Universität Taiwan am FBH im Rahmen des "Research Visits to Germany of NSC sponsored Ph.D. Degree Candidates (Sandwich Program)" untersucht [1, 2]. Sie konnte dabei auf ihre Erfahrungen beim Einsatz strukturierter Substrate aufbauen und diese mit der FBH-Expertise bei der in-situ-Überwachung von Epitaxieprozessen zusammenbringen.
Oberflächen-Topologie, Verspannung und strukturelle Eigenschaften von GaN, abgeschieden mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), wurden untersucht. Sowohl c-orientierte (0001) als auch r-orientierte (1-102)-Saphir-Substrate mit und ohne Oberflächenstrukturierung wurden verglichen. Abb. 1 zeigt REM-Bilder der Oberflächen-Topologie zu verschiedenen Zeitpunkten des GaN-Wachstums auf strukturierten Saphir-Substraten.
Die während des c-orientierten Schichtwachstums gemessene Waferkrümmung (Abb. 2) zeigt Unterschiede hinsichtlich der sich akkumulierenden Gitterverspannung. Im Gegensatz zur sich ausbildenden tensilen Verspannung (zunehmende konkave Krümmung) während des GaN-Wachstums auf unstrukturiertem c-Saphir ist eine anfängliche kompressive Verspannung (abnehmende konkave Krümmung) auf strukturiertem Substrat zu beobachten. Die mittlere kompressive Verspannung vor der Koaleszenz des c-orientierten GaN kann zu 0,2 GPa abgeschätzt werden. Nach erfolgter Koaleszenz (Sättigung der Reflektions-Intensität, siehe Abb. 2 oben) setzt sich das Wachstum unter tensiler Verspannung fort, vergleichbar zu der auf unstrukturiertem Saphir. Als Konsequenz kann die resultierende Schichtverspannung durch eine Beeinflussung der Koaleszenz-Geschwindigkeit infolge geänderter Wachstumsbedingungen oder Strukturierungsgeometrien kontrolliert werden.
Während die (0001)-Orientierung von GaN gegenwärtig hauptsächlich für die Herstellung von LEDs genutzt wird, verspricht die Verwendung semipolarer oder nichtpolarer Orientierungen Vorteile hinsichtlich verringerter Polarisationsfelder. Dadurch verbesserte sich die Effizienz der Bauelemente. Hierfür wurde der Einfluss unterschiedlicher Nukleationsschichten auf r-orientiertem strukturiertem Saphir auf die Formierung semipolarer (11-22) und nichtpolarer (11-20) GaN-Schichten untersucht [2]. Während die Nukleation bei hoher Temperatur (965°C) hauptsächlich die (11-20)-GaN-Orientierung bevorzugt, führt eine niedrigere Nukleationstemperatur (535°C) zur Ausbildung von semipolar orientierten (11-20) GaN-Facetten. Bei einem reduzierten Reaktordruck wird die Phasenselektivität unterdrückt und sowohl semipolare als auch nichtpolare Facetten entwickeln sich gleichzeitig. Aufgrund dieser Untersuchungen ist es gelungen, die Schichteigenschaften von a-orientiertem (11-22) GaN auf strukturiertem r-Saphir unter Verwendung optimierter MOVPE-Wachstumsbedingungen zu verbessern.
Publikationen:
[1] M.-T. Wang, F. Brunner , K.-Y. Liao, Y.-L. Li, S.H. Tseng, M. Weyers, "Optimization of GaN wafer bow grown on cone shaped patterned sapphire substrates", J. Crystal Growth, vol. 363, pp. 109-112 (2013).
[2] M.-T. Wang, F. Brunner , K.-Y. Liao, Y.-L. Li, S.H. Tseng, M. Weyers, "Phase control of semi-polar (1122) and non-polar (1120) GaN on cone shaped r-plane patterned sapphire substrates", J. Crystal Growth, vol. 371, pp. 11-16 (2013).