Growth Uniformity in Selective Area Epitaxy of AlGaN/GaN Heterostructures for the Application in Semiconductor Devices

Abstract

The design of modern semiconductor devices often requires the fabrication of three-dimensional (3D) structures to integrate microelectronic components with photonic, micromechanical, or sensor systems within one semiconductor substrate. It is a technologically challenging task, as a strictly defined profile of the device structure is obligatory. This can be achieved either by chemical etching or selective deposition on a masked substrate. In this paper, the growth uniformity of AlGaN/GaN heterostructures during selective-area metalorganic vapour-phase epitaxy (SA-MOVPE) was studied. Such structures are typically used in order to fabricate high-electron-mobility transistors (HEMT). The semiconductor material was deposited through 200 μm long stripe-shaped open windows in a SiO2 mask on GaN/sapphire templates. The window width was varied from 5 μm to 160 μm, whereas mask width separating particular windows varied from 5 μm to 40 μm. The experiment was repeated for three samples differing in GaN layer thickness: 150 nm, 250 nm, and 500 nm. Based on theoretical models of the selective growth, a sufficiently uniform thickness of epitaxially grown AlGaN/GaN heterostructure has been achieved by selecting the window half-width that is smaller than the diffusion length of the precursor molecules. A Ga diffusion length of 15 μm was experimentally extracted by measuring the epitaxial material agglomeration in windows in the dielectric mask. Measurements were conducted while using optical profilometry.

Морфология поверхности полуполярных GaN-слоев при эпитаксии на наноструктурированной подложке Si

“…Применение микроструктурированных чужеродных подложек для синтеза полуполярных слоев GaN является перспективным методом гетероэпитаксии [2,3]. Так, например, структурированная подложка сапфира c плоскостью (22-43) позволила получить светодиоды InGaN(20-21)/GaN с длиной волны излучения 490 nm [4], а структурированная подложка m-Al 2 O 3 позволила синтезировать светодиоды с зеленым цветом свечения InGaN (11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22) [5].…”

“…В настоящее время оптоэлектронные устройства на основе GaN/Si в основном базируются на полярных InGaN/GaN-структурах, в которых в активных областях присутствует нежелательное сильное поляризационное поле. Выращивание полуполярных III-нитридных излучателей является одним из возможных решений этой проблемы, поскольку ожидается, что полуполярные и неполярные структуры обладают большим потенциалом в повышении внутренней квантовой эффективности све-тодиодов [7], и в более эффективном внедрении атомов индия, особенно в GaN (11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22) слои [8].…”

“…Полуполярный GaN (11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22) на кремнии удается получать в основном за счет роста на структурированных кремниевых Si(113)-подложках с полосатыми канавками [11].…”

“…Изучена морфология поверхности слоев полуполярного нитрида галлия, синтезированных на наноструктурированных подложках Si(100) либо Si(113) соответственно с V -образным либо U-образным профилем поверхности. Морфология поверхности полуполярных слоев свидетельствует, что разное отношение высоты к ширине (аспектное соотношение) блоков GaN (11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22) и GaN (10)(11) связано с более высокой скоростью роста грани GaN (11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22), чем GaN (10)(11) и разными скоростями роста полуполярной и полярной граней кристалла при зарождении слоя на наноструктурированной подложке.…”

Numerical Analysis of the High Pressure MOVPE Upside-Down Reactor for GaN Growth

“…Growth conditions are determined by individual and mutual dependences among the pressure and temperature distributions in the reactor chamber; the type, ratio, and flow rate of the precursors and carrier gasses; as well as some other factors. The process is even more difficult to control if the whole structure-with different layers, various doping, and quantum wells [8,9]-is required, or if selective area growth is considered [10][11][12][13]. Furthermore, the temperature measurements in the reactor chamber are limited due to the restricted access and the expected range (e.g., 600 • C to 1200 • C in the case of GaN).…”