Επίταξη με μοριακές δέσμες του ημιαγωγού GaN πάνω σε υποστρώματα αδάμαντος και σαπφείρου επιπέδου-r
Authors: Τσιακατούρας Γεώργιος 
Published: August 2021

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η πειραματική έρευναμε στόχο την παραγωγή γνώσης για την επιταξιακή ανάπτυξη ετεροδομών-νανοδομών των ημιαγωγών III-Νιτριδίων σε νέες κρυσταλλογραφικές διευθύνσειςκαι υποστρώματα. Συγκεκριμένα, ερευνήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη GaN επιπέδου-a πάνω σε υποστρώματα σαπφείρου επιπέδου-r, όπου δόθηκε και η μεγαλύτερηβαρύτητα, καθώς και, μια πρώτη διερεύνηση, της ανάπτυξης GaN επιπέδου-c πάνωσε υποστρώματα αδάμαντος {100}, {110} και {111}, με τη μέθοδο επίταξης μεμοριακές δέσμες (ΜΒΕ) με πηγή RF πλάσματος αζώτου [RF-ΜΒΕ ή plasma assistedMBE (PA-MBE)].Οι ιδιότητες των ετεροδομών GaN ερευνήθηκαν με ένα μεγάλος εύροςπειραματικών τεχνικών, με έμφαση στις μελέτες επιφανειακής μορφολογίας καιδομικών ιδιοτήτων με τις τεχνικές Μικροσκοπίας Ατομικών Δυνάμεων (AFM) καιΠερίθλασης Ακτινών-Χ (XRD), αντίστοιχα. Η αξιολόγηση των οπτοηλεκτρονικώνιδιοτήτων του υλικού έγινε με μετρήσεις φασματοσκοπίας φωτοφωταύγειας (PL).Πάνω στα υποστρώματα σαπφείρου (Al2O3) επιπέδου-r μελετήθηκε ηανάπτυξη ετεροδομών GaN επιπέδου-a, δηλαδή σε μη πολική κρυσταλλογραφικήδιεύθυνση. Αρχικά μελετήθηκε η νιτρίδωση του σαπφείρου επιπέδου-r, στη συνέχειαο σχηματισμός στρωμάτων πυρηνοποίησης GaN ή AlN επιπέδου-a και τελικά ηεπιταξιακή ανάπτυξη λεπτών υμενίων GaN επιπέδου–a.Διαπιστώθηκε ότι η νιτρίδωση προκαλεί την εμφάνιση περιοδικών βαθμίδωνστην επιφάνεια του σαπφείρου, που αποδίδονται σε τυχαία μικρή γωνία απόκλισηςτης κοπής του υποστρώματος από το επίπεδο-r. Η διάρκεια της νιτρίδωσης είναικαθοριστικής σημασίας. Όσο πιο πολύ διαρκεί τόσο περισσότερο αυξάνεται ητραχύτητα της επιφάνειας του υποστρώματος, καθώς και η απόσταση των βαθμίδων,οπότε και το ύψος κάποιων εξ αυτών. Η θερμοκρασία είναι ένας άλλος παράγονταςπου επηρεάζει την νιτρίδωση. Η αύξηση της αυξάνει το ποσό της νιτρίδωσης, καθώςκαι την τραχύτητα της επιφάνειας του υποστρώματος. Η επίτευξη της βέλτιστηςνιτρίδωσης υποδεικνύεται από ταυτόχρονες παρατηρήσεις Ανακλαστικής ΠερίθλασηςΗλεκτρονίων Υψηλής Ενέργειας (RHEED), με κριτήριο την εμφάνιση επιφανειακήςαναδόμησης, η οποία μετά το πέρας ένος κρίσιμου χρόνου χάνεται και εμφανίζεταιτραχύτητα στην επιφάνεια. Εκτιμήθηκε ότι αποτελεσματική νιτρίδωση επιτυγχάνεται στη θερμοκρασία των 400 οC, όπου παρατηρείται ταχύτατη εμφάνιση τηςαναδόμησης και χαμηλή επιφανειακή τραχύτητα.Η έρευνα του σχηματισμού στρωμάτων πυρηνοποίησης ΙΙΙ-νιτριδίωνεπιπέδου-a περιελάμβανε την ανάπτυξη GaN ή AlN σε διάφορες θερμοκρασίεςυποστρώματος. Διαπιστώθηκε ότι στις υψηλές θερμοκρασίες σχηματίζονταιτρισδιάστατες (3D) νησίδες ανάμεσα στις βαθμίδες του υποστρώματος, χωρίς να τοκαλύπτουν πλήρως. Η ανάπτυξη λεπτών υμενίων GaN επιπέδου-a, που θα είναισυμπαγή ανεξαρτήτως του πάχους τους, απαιτεί την ύπαρξη ενός αρχικού συμπαγούςλεπτού στρώματος πυρηνοποίησης, το οποίο επιτυγχάνεται σε χαμηλή θερμοκρασίακάτω των 500 °C. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτά, επιλέχθηκε μία ακολουθίαανάπτυξης δύο σταδίων (two-step growth) για την ανάπτυξη GaN επιπέδου-a, όπουαρχικά αναπτύσσεται ένα στρώμα 20 nm GaN ή AlN σε χαμηλή θερμοκρασία. Ηανάπτυξη υμενίου 1,24 μm GaN απ’ ευθείας σε 800 °C, σε συνθήκες περίσσειας ροήςαζώτου, έδωσε πολύ ομαλή επιφάνεια αλλά εξαιρετικά υψηλή κρυσταλλικήμωσαϊκότητα.Το επόμενο στάδιο της ερευνητικής προσπάθειας αφιερώθηκε στη μελέτη τηςεπιταξιακής ανάπτυξης υμενίων GaN επιπέδου-a, πάνω σε βελτιστοποιημένο στρώμαπυρηνοποίησης. Η έρευνα εστιάσθηκε στον προσδιορισμό της επίδρασης τηςθερμοκρασίας υποστρώματος και των τιμών λόγου ροών ΙΙΙ/V άνω του 1 (περίσσειαGa), στους μηχανισμούς της επιταξιακής ανάπτυξης και τις ιδιότητες των υμενίωνGaN. Η ανάπτυξη σε υψηλές θερμοκρασίες (750-800 °C) και σταθερό λόγο ροώνIII/V=1,8, βρέθηκε ότι οδηγεί στον σχηματισμό υμενίων αποτελούμενων απόσυνενωμένες επιμήκεις (κατά τον άξονα-c) 3D-νησίδες και μειωμένο επιταξιακόπάχος, λόγω αυξημένης επανεξάχνωσης των προσπιπτόντων ατόμων Ga στηνεπιφάνεια. Χαρακτηριστικό αυτών των νησίδων είναι οι πολύ ομαλές επιφάνειες στοκέντρο τους. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και μικρότερες τιμές λόγου ροών III/V(1,5-1,6 για ~720 °C) διαπιστώθηκε πιο ομοιoγενής πλευρική ανάπτυξη του GaN,παρά την επικράτηση 3D τρόπου ανάπτυξης. Σε αυτές τις συνθήκες, τα υμένια GaNεπιπέδου-a έδειξαν την ελάχιστη κρυσταλλική μωσαϊκότητα και την μέγιστη έντασημε το ελάχιστο φασματικό εύρος της εκπεμπόμενης PL. Επιπλέον, παρατηρήθηκεισοτροπική συμπεριφορά όσον αφορά στην κρυσταλλική μωσαϊκότητα κατά τιςδιευθύνσεις των αξόνων-c και -m πάνω στην επιφάνεια. Τα αποτελέσματααποδόθηκαν σε ισοτροπική διάχυση των ατόμων Ga πάνω στην επιφάνεια GaN επιπέδου-a, όταν η επιφάνεια καλύπτεται από ένα στρώμα προσατόμων Ga, σεσυμφωνία με θεωρητικούς υπολογισμούς.Τέλος, μελετήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη GaN πάνω σευποστρώματα αδάμαντος {100}, {110} και {111}. Διαπιστώθηκε ότι σε όλες τιςπεριπτώσεις αναπτύχθηκαν λεπτά υμένια μονοκρυσταλλικού GaN επιπέδου-c καιμόνο στην περίπτωση υποστρώματος {100} παρατηρήθηκε ότι συνυπήρχαν δύοεναλλακτικές διευθετήσεις του κρυστάλλου GaN, που αντιστοιχούν σε στροφή 30°γύρω από τον άξονα-c. Τα υμένια GaN είχαν πολικότητα μετώπου-N και περιείχανστενές αντεστραμμένες περιοχές (IDs) πολικότητας μετώπου-Ga. Η κρυσταλλικήποιότητα των δειγμάτων ήταν βελτιωμένη πάνω στα υποστρώματα αδάμαντα {111}.Τα στρώματα GaN υπόκεινται σε διατατική (tensile) ελαστική τάση/παραμόρφωσηπου οφείλεται στη διαφορά των συντελεστών θερμικής διαστολής GaN και αδάμαντα,αλλά δεν παρατηρήθηκαν μικρο-ρωγμές σε υμένια GaN πάχους 1,4 μm πάνω σεαδάμαντα (111).Συμπερασματικά, η διδακτορική διατριβή οδήγησε στη φυσική κατανόησηκαι βελτιστοποίηση της ετεροεπιταξιακής ανάπτυξης, με PA-MBE, του ημιαγωγούGaN επιπέδου-a πάνω σε υποστρώματα Al2O3 επιπέδου-r. Ετεροδομές GaN σε αυτήτη μη-πολική διεύθυνση μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση διόδων εκπομήςφωτός (LED) και διόδων λέιζερ (LD), λόγω εξάλειψης των ηλεκτρικών πεδίων μέσαστα κβαντικά πηγάδια της ενεργού περιοχής τους, που προκαλούν χωρικό διαχωρισμόηλεκτρονίων και οπών. Στην περίπτωση των υποστρωμάτων αδάμαντος, η ανάπτυξημονοκρυσταλλικού GaN επιπέδου-c, ανεξάρτητα του προσανατολισμού τωνυποστρωμάτων, είναι ελπιδοφόρα για την ανάπτυξη ετεροδομών III-νιτριδίωνκατάλληλων για εφαρμογές σε διατάξεις ισχύος πάνω σε πολυκρυσταλλικάυποστρώματα. Τα υποστρώματα αυτά είναι διαθέσιμα σε μεγάλα μεγέθη καιπροσφέρουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα για μεγιστοποίηση της ισχύος τωνδιατάξεων.