Materialaspekte der Hydridgasphasenepitaxie von Aluminiumgalliumnitrid [original]

Materialaspekte der

Hydridgasphasenepitaxie von

Aluminiumgalliumnitrid

vorgelegt von

Dipl.-Phys.

Simon Fleischmann

von der Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Naturwissenschaften

- Dr. rer. nat. -

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. Wolfgang Heinrich

Gutachter: Prof. Dr. Günther Tränkle

Gutachter: Prof. Dr. Ferdinand Scholz

Gutachter: Prof. Dr. Markus Weyers

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 16.05.2019

Berlin 2019

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurden Aspekte zur Verbesserung der Materialqualität von AlGaN-

Schichten untersucht, die mittels HVPE abgeschieden wurden. Diese umfassten einerseits

die Strukturierung von Saphirsubstraten und die Prozessschritte Pufferschicht und Kom-

positionsvariationen sowie andererseits die Wahl des Reaktormaterials zu Vermeidung von

parasitären Reaktionen und Fremdatomeinbau.

Zunächst wurde eine 20

m dicke AlGaN-Schicht auf einer Honigwaben-ähnlichen Sub-

stratstrukturierung abgeschieden, womit gegenüber der Verwendung einer Streifengeome-

trie die Anisotropie der Materialqualität um den Faktor 4 verringert werden konnte. Aller-

dings nukleierten auf dem vergleichsweise komplexer strukturierten Saphirsubstrat mehr

unterschiedliche AlGaN-Domänen nicht-c-planarer Orientierung, die bis in Schichtdicken

von 10

m propagieren, bevor sie von c-planaren AlGaN-Domänen überwachsen wurden.

In dieser Arbeit konnten sämtliche volumenmäßig relevanten dieser Domänen identi-

fiziert und ihr kristallografischer Bezug zum Saphirsubstrat hergestellt werden. Durch

die Entwicklung von trigonal strukturierten Substratstrukturen konnte die aufgeworfene

Frage beantwortet werden, ob sich sämtliche Saphir m-Facetten identisch bei der Ab-

scheidung von AlGaN verhalten. Die Erkenntnis, dass AlGaN-Domänen der Orientierung

(1¯

103)𝐼𝐼𝐼−𝑁‖(1¯

100)𝑆𝑎𝑝ℎ𝑖𝑟

selektiv nur auf den Saphir m-Facetten

(1¯

100)

(¯

1010)

(01¯

10)

nukleieren, nicht jedoch auf den m-Facetten

(0¯

110)

(¯

1100)

(10¯

10)

, ließ sich nutzen, um

eine Substratstruktur zu entwerfen, bei der AlGaN-Domänen der genannten Orientierung

diejenigen AlGaN-Domänen blockieren, deren c-Achse senkrecht auf Saphir n-Facetten

steht und die eine Koaleszenz stark verzögern. Basierend auf den neuartigen Substrat-

strukturen konnte der Koaleszenzprozess auf etwa 2

m verkürzt werden.

Die Untersuchung der verwendeten AlN-Pufferschicht ergab, dass für die Schichtquali-

tät der darauf abgeschiedenen AlGaN-Schichten möglichst geringe Halbwertsbreiten der

Rockingkurven in der Pufferschicht vorteilhaft sind, nicht jedoch eine glatte Oberflächen-

morphologie. Da die kristalline Qualität der AlN-Pufferschicht beim Übergang einer 3D-

Oberfläche zu einer glatten Oberfläche abnimmt, ließen die durchgeführten Untersuchun-

gen darauf schliessen, dass eine Koaleszenz der Pufferschicht unbedingt zu vermeiden

ist. Der erstmalig in der HVPE von AlGaN untersuchte Kompositionsgradient ermög-

licht, durch stufenweise oder kontinuierliche Erhöhung des Galliumanteils kompressive

Spannung zu erzeugen. Er wird in dieser Arbeit dazu eingesetzt, tensile Spannung, die

während des Wachstums von III-Nitriden auftreten kann, zu kompensieren und damit die

Schichtqualität von AlGaN-Schichten signifikant zu erhöhen.

Zuletzt konnte die Reaktion zwischen den Aluminium-Präkursoren

𝐴𝑙𝐶𝑙𝑛

und Quarz ein-

deutig als Quelle für Silizium- und Sauerstoff-Verunreinigungen in gewachsenen AlGaN-

Schichten identifiziert werden. Durch die Substitution des Gruppe-III führenden Reak-

torrohres mit Carbonglas konnte die Konzentration von Silizium in dafür gewachsenen

AlN-Schichten um drei Größenordnungen auf 4

reduziert werden ohne die

Konzentration von Kohlenstoff signifikant zu erhöhen. Es wurde dadurch erstmals mög-

lich, in diesem Reaktor auf mittels MOVPE hergestellten AlN-Templates homoepitaktisch

anzuwachsen und die Versetzungsdichte der AlN-Schicht weiter zu reduzieren, was mit

STEM-Aufnahmen verifiziert werden konnte.

Abstract

This work discusses material aspects of AlGaN layers deposited using hydride vapor phase

epitaxy towards the goal of material quality improvement. This comprises patterning of

sapphire substrates, optimization of AlN deposition and revealing its influence on the

subsequently grown AlGaN layers, composition grading as well as substitution of reactor

parts to prevent precursor prereactions and thus to lower overall impurity level.

First, a 20

m thick AlGaN layer was grown on a hexagonal PSS, which led to a reduc-

tion of material quality anisotropy by a factor of 4 when comparing with AlGaN growth

on stripe PSS. But comparably complex geometry of substrate pattern led to growth of

several differently oriented AlGaN domains which hindered overgrowth up to layer thick-

nesses of 10

m. All volume-wise noteworthy orientations of AlGaN could be identified

and attributed to the sapphire substrate with respect to their crystallographic relation.

Triangular shaped substrate pattern was designed and fabricated to firstly investigate

the raised hypothesis, that sapphire m-facets could act differently towards overgrowth

by AlGaN which could be unambiguously confirmed. AlGaN with epitaxial relation

(1¯

103)𝐼𝐼𝐼−𝑁‖(1¯

100)𝑆𝑎𝑝ℎ𝑖𝑟

grew selectively on sapphire m-facets

(1¯

100)

(¯

1010)

(01¯

10)

but not on

(0¯

110)

(¯

1100)

(10¯

10)

-facets. This AlGaN-orientation could be used to block

AlGaN domains oriented with their c-direction perpendicular to sapphire n-facets, which

strongly hinder the pattern overgrowth by the c-plane oriented AlGaN material. this find-

ing could be used to fabricate triangular PSS that allowed for overgrowth and coalescence

within 2

m instead of 10

m compared to hexagonal PSS.

AlN buffer layers used prior to deposition of thick AlGaN layers were found to decrease

AlGaN crystal quality, when already coalesced. Deposition parameters such as V/III-

ratio, temperature and growth rate of the buffer layer were optimized for maximum crystal

quality with neglectance of smooth surface morphology to obtain highest crystal quality

of subsequently grown AlGaN layers. First-time use of composition gradient in HVPE-

grown AlGaN-layers allowed for introduction of compressive strain either with step-graded

or continuously increased gallium content. It was used in this work to compensate tensile

strain which occured during growth of AlGaN layers and thus to increase AlGaN layer

crystal quality and crack-free layer thickness.

Finally, parasitic reaction between aluminum chlorides

𝐴𝑙𝐶𝑙𝑛

and quartz could be un-

ambiguously identified to be the root cause of silicon and oxygen impurities in HVPE

grown AlGaN-layers. The Group-III quartz tube was replaced with a glassy carbon made

one which reduced silicon concentrations in AlGaN layers by three orders of magnitude

to a level of 4

without increasing carbon impurity levels significantly. This

allowed for the first time to grow AlN homoepitaxially on a MOVPE-template in this

reactor and to reduce dislocation density further, which was verified by STEM analysis.

iii

Eigene Veröffentlichungen

Teile dieser Arbeit wurden bereits vorab in folgenden Beiträgen veröffentlicht:

Publikationen:

∙

S. Fleischmann, A. Mogilatenko, S. Hagedorn, E. Richter, D. Goran, P. Schäfer, U.

Zeimer, M. Weyers and G. Tränkle. Analysis of HVPE grown AlGaN layers on honey-

comb patterned sapphire. Journal of Crystal Growth, 414:32-37, March 2015.

http:

//dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.10.010

∙

S. Fleischmann, E. Richter, A. Mogilatenko, R.-S. Unger, D. Prasai, M. Weyers and G.

Tränkle. Triangular-shaped sapphire patterning for HVPE grown AlGaN layers. Physica

Status Solidi A, 214(9): 1600751, December 2016.

http://dx.doi.org/10.1002/pssa.

201600751

∙

S. Fleischmann, E. Richter, A Mogilatenko, M. Weyers and G. Tränkle. Influence of AlN

buffer layer on growth of AlGaN by HVPE. Physica Status Solidi B, 254(8):1600696,

February 2017.

http://dx.doi.org/10.1002/pssb.201600696

∙

S. Fleischmann, E. Richter, A. Mogilatenko, M. Weyers and G. Tränkle. Influence

of quartz on silicon incorporation in HVPE grown AlN. Journal of Crystal Grow-

th, 507:295–298, February 2019.

http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.11.

028

∙

E. Richter, S. Fleischmann, D. Goran, S. Hagedorn, W. John, A. Mogilatenko, D. Prasai,

U. Zeimer, M. Weyers and G. Tränkle. Hydride Vapor-Phase Epitaxy of c-Plane AlGaN

Layers on Patterned Sapphire Substrates. Journal of Electronic Materials, 43(4):814-

818, December 2013.

http://dx.doi.org/10.1007/s11664-013-2871-x

Tagungsbeiträge:

∙

S. Fleischmann, S. Hagedorn, E. Richter, A. Mogilatenko, U. Zeimer and M. Weyers.

HVPE of AlGaN layers on patterned sapphire substrate. Poster. 15 International Sum-

mer School on Crystal Growth. Gdansk, Poland, 2013.

∙

S. Fleischmann, S. Hagedorn, E. Richter, A. Mogilatenko, U. Zeimer, M. Weyers, D.

Goran and G. Tränkle. Growth of thick

𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁

layers on sapphire by hydride vapor

phase epitaxy. Vortrag. 28. Workshop der DGKK „Epitaxie von III/V Halbleitern“.

Illmenau, Deutschland, 2013.

∙

E. Richter, S. Hagedorn, U. Zeimer, S. Fleischmann, W. John, D. Prasai, M. Weyers and

G. Tränkle. Growth of c-plane oriented

𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁

layers on sapphire by hydride vapor

phase epitaxy. Vortrag. 55. Electronic Materials Conference. South Bend, Indiana, USA

2013.

∙

S. Fleischmann, S. Hagedorn, E. Richter, A. Mogilatenko, U. Zeimer, D. Goran, P.

Schäfer, M. Weyers and G. Tränkle. HVPE of

𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁

layers on patterned sapphire

substrates. Poster. 17. International Conference on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy.

Lausanne, Schweiz, 2014.

∙

S. Fleischmann, E. Richter, S. Hagedorn, U. Zeimer and M. Weyers.

𝐴𝑙0.5𝐺𝑎0.5𝑁

Tem-

plates mit HVPE. Vortrag. 29. Workshop der DGKK „Epitaxie von III/V Halbleitern“.

Magdeburg, Deutschland, 2014.

∙

S. Fleischmann, E. Richter, S. Hagedorn, U. Zeimer and M. Weyers.

𝐴𝑙0.5𝐺𝑎0.5𝑁

Tem-

plates mit HVPE. Vortrag. DGKK Arbeitskreistreffen „Herstellung und Charakterisie-

rung von massiven Halbleiterkristallen“. Freiberg, Deutschland, 2014.

∙

S. Fleischmann, A. Mogilatenko, S. Hagedorn, E. Richter, U. Zeimer, D. Goran, P. Schä-

fer, M. Weyers and G. Tränkle. HVPE AlGaN growth on patterned sapphire. Poster.

European Workshop on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy. Lund, Sweden, 2015.

∙

S. Fleischmann, E. Richter, D. Prasai, M. Weyers and G. Tränkle. AlGaN layers grown

by HVPE. Vortrag. 30. Workshop der DGKK „Epitaxie von III/V Halbleitern“. Göt-

tingen, Deutschland, 2015.

∙

S. Fleischmann, E. Richter, U. Zeimer, D. Prasai, M. Weyers and G. Tränkle. AlGaN

layers grown by HVPE - Focus on patterned sapphire substrates. Vortrag. European

Materials Research Society - Fall Meeting. Warsaw, Poland, 2016.

∙

S. Fleischmann, E. Richter, A. Mogilatenko, D. Prasai, M. Weyers and G. Tränkle.

AlGaN layers grown on patterned sapphire by HVPE. Vortrag. International Workshop

on Nitride Semiconductors. Orlando, Florida, USA, 2016.

∙

S. Fleischmann, S. Hagedorn, E. Richter, A. Mogilatenko, U. Zeimer, D. Prasai, D.

Goran, M. Weyers and G. Tränkle. AlGaN HVPE. Eingeladener Vortrag. Freiburger

Materialforschungszentrum. Freiburg, Deutschland, 2016.

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