Rozsáhlé defekty v nitridech Ga a Al
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
III-nitridy běžně krystalizují v hexagonální (wurtzitové) struktuře, zatímco kubická (sfaleritová) struktura je metastabilní a má pouze mírně vyšší energii. Jejich fyzikální vlastnosti jsou silně ovlivněny přítomností rozsáhlých defektů, které jsou v těchto dvou strukturách od sebe odlišné. U wurtzitových nitridů se jedná primárně o vláknové dislokace. Některé vláknové dislokace tvoří hluboké energetické stavy v zakázaném pásu, kterými ovlivňují elektrické a optoelektronické vlastnosti těchto materiálů. Oproti tomu, kubické nitridy obsahují množství vrstevných chyb, které představují lokální transformace do stabilnější wurtzitové struktury. Cílem této práce je charakterizovat rozsáhlé defekty v obou krystalových strukturách pomocí elektronové mikroskopie, mikroskopie atomárních sil a rentgenové difrakce. Prokázali jsme, že vzorky GaN/AlN a AlN s orientací (0001) rostlé na substrátu Si (111) pomocí epitaxe z organokovových sloučenin obsahují velkou hustotu vláknových dislokací. Nejčastější jsou dislokace s Burgersovým vektorem s komponentou ve směru a wurtzitové struktury, následované dislokacemi s Burgersovým vektorem s komponentou ve směru a+c, zatímco dislokace s Burgersovým vektorem s c komponentou jsou relativně vzácné. Pravděpodobný původ vláknových dislokací je diskutován v souvislosti s různými mechanismy růstu těchto vrstev. Prizmatické vrstevné chyby byly nalezeny v tenkých nukleačních vrstvách AlN, ale v tlustších vrstvách již nebyly přítomny. Na rozhraní AlN / Si byla nalezena amorfní vrstva složená ze SiNx a částečně taky z AlN. Navrhujeme, že by tato amorfní vrstva mohla hrát významnou roli při relaxaci misfitového napětí. Analýza elektrické aktivity rozsáhlých defektů v AlN byla provedena pomocí měření proudu indukovaného elektronovým svazkem. Zjistili jsme, že vláknové dislokace způsobují slabý pokles indukovaného proudu. Díky jejich vysoké hustotě a rovnoměrnému rozložení však mají větší vliv na elektrické vlastnosti, než mají V-defekty a jejich shluky. Topografické a krystalografické defekty byly studovány na nežíhaných a žíhaných nukleačních vrstvách kubického GaN deponovaných na 3C-SiC (001) / Si (001) substrátu. Velikost ostrůvků na nežíhaných vzorcích se zvyšuje s tloušťkou nukleační vrstvy a po žíhání se dále zvětšuje. Po žíhání se snižuje pokrytí substrátu u nejtenčích nukleačních vrstev v důsledku difúze a desorpce (nebo leptání atmosférou reaktoru). Vrstevné chyby nalezené ve vrstvách GaN, poblíž rozhraní se SiC, byly většinou identifikovány jako intrinsické a byly ohraničené Shockleyho parciálními dislokacemi. Jejich původ byl diskutován, jako i vliv parciálních dislokací na relaxaci misfitového napětí. Díky velkému množství vrstevných chyb byly podrobněji studovány jejich interakce. Na základě našich zjištění jsme vyvinuli teoretický model popisující anihilaci vrstevných chyb v kubických vrstvách GaN. Tento model dokáže předpovědět pokles hustoty vrstevných chyb se zvyšující se tloušťkou vrstvy.
III-nitrides crystallize in the hexagonal (wurtzite) structure, whereas the cubic (zincblende, sphalerite) structure is metastable with only slightly higher energy. Their physical properties are strongly affected by the presence of extended defects that are of different kinds in the two structures. In wurtzite III-nitrides, these are primarily threading dislocations, some of which are known to generate deep defect states in the bandgap, through which they affect the electrical and optoelectronic properties of devices. On the other hand, zincblende III-nitrides contain a large density of stacking faults that facilitate local transformations into the more stable wurtzite structure. The aim of this work is to characterize the extended defects in both crystal structures using a combination of electron microscopy, atomic force microscopy, and X-ray diffraction. We demonstrate that (0001)-oriented samples of GaN/AlN and AlN grown on Si (111) substrate by metal-organic chemical vapor deposition contain a large density of threading dislocations. Their Burgers vectors are mostly parallel to the a-direction of the wurtzite lattice, followed by the Burgers vectors parallel to the a+c-direction, whereas the dislocations with Burgers vectors parallel to the c-direction are relatively rare. The probable origin of threading dislocations is discussed according to the type of the film growth. Prismatic stacking faults were found in thin AlN nucleation layers but were not present in the thicker layers. Amorphous layer composed of SiNx and partially of AlN was found at the AlN/Si interface. We propose that this amorphous layer could have a major role in the relief of misfit strain. Analysis of electrical activity of extended defects in AlN was done using electron beam induced current technique. We have found that threading dislocations cause a weak drop of induced current. However, due to their high density and uniform distribution, they have larger impact on electrical properties than V-defects and their clusters. The topographical and crystallographic defects were studied in as-grown and annealed nucleation layers of zincblende GaN grown on 3C-SiC (001) / Si (001) substrate. The sizes of surface features on as-grown samples increase with the thickness of the nucleation layer and are enhanced by annealing. The surface coverage of GaN with the thinnest nucleation layers is reduced after annealing due to diffusion and desorption (or etching by reactor atmosphere). The stacking faults found in GaN near its interface with SiC were mostly of the intrinsic type bounded by Shockley partial dislocations. The origin of these stacking faults was discussed as well as the impact of partial dislocations on the strain relief. Due to the abundance of stacking faults, their interactions were studied in detail. Based on our findings, we have developed a theoretical model of stacking fault annihilation in zincblende GaN films. This model is shown to be able to predict the decrease of the stacking fault density with increasing film thickness.
III-nitrides crystallize in the hexagonal (wurtzite) structure, whereas the cubic (zincblende, sphalerite) structure is metastable with only slightly higher energy. Their physical properties are strongly affected by the presence of extended defects that are of different kinds in the two structures. In wurtzite III-nitrides, these are primarily threading dislocations, some of which are known to generate deep defect states in the bandgap, through which they affect the electrical and optoelectronic properties of devices. On the other hand, zincblende III-nitrides contain a large density of stacking faults that facilitate local transformations into the more stable wurtzite structure. The aim of this work is to characterize the extended defects in both crystal structures using a combination of electron microscopy, atomic force microscopy, and X-ray diffraction. We demonstrate that (0001)-oriented samples of GaN/AlN and AlN grown on Si (111) substrate by metal-organic chemical vapor deposition contain a large density of threading dislocations. Their Burgers vectors are mostly parallel to the a-direction of the wurtzite lattice, followed by the Burgers vectors parallel to the a+c-direction, whereas the dislocations with Burgers vectors parallel to the c-direction are relatively rare. The probable origin of threading dislocations is discussed according to the type of the film growth. Prismatic stacking faults were found in thin AlN nucleation layers but were not present in the thicker layers. Amorphous layer composed of SiNx and partially of AlN was found at the AlN/Si interface. We propose that this amorphous layer could have a major role in the relief of misfit strain. Analysis of electrical activity of extended defects in AlN was done using electron beam induced current technique. We have found that threading dislocations cause a weak drop of induced current. However, due to their high density and uniform distribution, they have larger impact on electrical properties than V-defects and their clusters. The topographical and crystallographic defects were studied in as-grown and annealed nucleation layers of zincblende GaN grown on 3C-SiC (001) / Si (001) substrate. The sizes of surface features on as-grown samples increase with the thickness of the nucleation layer and are enhanced by annealing. The surface coverage of GaN with the thinnest nucleation layers is reduced after annealing due to diffusion and desorption (or etching by reactor atmosphere). The stacking faults found in GaN near its interface with SiC were mostly of the intrinsic type bounded by Shockley partial dislocations. The origin of these stacking faults was discussed as well as the impact of partial dislocations on the strain relief. Due to the abundance of stacking faults, their interactions were studied in detail. Based on our findings, we have developed a theoretical model of stacking fault annihilation in zincblende GaN films. This model is shown to be able to predict the decrease of the stacking fault density with increasing film thickness.
Description
Citation
VACEK, P. Rozsáhlé defekty v nitridech Ga a Al [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2021.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Pokročilé nanotechnologie a mikrotechnologie
Comittee
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (místopředseda)
Priv.- Doz. Dr. David Holec (člen)
Ing. Alice Hospodková, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (člen)
Ing. Iva Kuběna, Ph.D (člen)
Date of acceptance
2021-07-16
Defence
Disertační práce Ing. Vacka studuje rozsáhlé krystalografické defekty jako jsou různé typy dislokací a vrstevné chyby v epitaxních vrstvách AIN a GaN připravených na Si substrátech jejich vlastnosti, způsob vzniku a anihilace během růstu. Stanovené cíle práce byly splněny. Doktorand studoval různé typy defektů pomocí různých metod elektronové mikroskopie, mikroskopie atomárních sil i rentgenové difrakce. Práce je založena nejen na rozsáhlé experimentální práci, ale obsahuje také návrh teoretického modelu vysvětlujícího anihilaci vrstevných chyb v kubických GaN vrstvách. Výsledky disertační práce jsou pro rozvoj oboru nitridových polovodičů velmi užitečné, což dokládají i publikace doktoranda v kvalitních impaktovaných časopisech. V průběhu obhajoby Ing. Vacek přesvědčivě prokázal své tvůrčí schopnosti v dané oblasti výzkumu. Své výsledky prezentoval v angličtině a prezentaci si pečlivě připravil. Na dotazy oponentů a členů komise odpověděl uspokojivě a prokázal výborné znalosti zkoumaného oboru.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení