In-plane anisotropy characteristics of GaN epilayers grown on A-face sapphire substrates

Abstract

We report on the structural in-plane anisotropy of GaN films grown on A-plane sapphire substrates by metal organic chemical vapor deposition. It is found that GaN:Si grown on A-face sapphire exhibits a strongly anisotropic wafer bending in the two orthogonal in-plane directions, with a ∼24% larger curvature along the c-axis of sapphire than along the m-axis. Using a model developed for an elastically anisotropic bilayer structure and using our curvature data, the anisotropic biaxial stresses in the two in-plane directions have been estimated as σ1x≅−1.3 GPa and σ1y≅−1.1 GPa along parallel and perpendicular to c-axis of sapphire, respectively. This anisotropic stress is also responsible for the distortion of the GaN hexagonal basal plane, as evidenced by x-ray diffraction measurements. The broadening of full width at half maximum of the GaN (0002) x-ray reflections varies with different azimuthal angles, correlated with the tilt of the c-axis of GaN. The in-plane epitaxial relationships between the GaN (0001) and A-face sapphire are found as a-axis of GaN aligned with c-axis of sapphire and m-axis of GaN aligned with m-axis of sapphire.

HVPE growth of c‐plane AlN on a‐plane sapphire using nitridation layer

“…Nakamura et al [6] successfully fabricated blue lased diodes (LDs) using a-plane sapphire substrates. Some other groups reported the growth of GaN on a-plane sapphire [7][8][9]. However, there have been few reports on the growth of AlN on a-plane sapphire, and the reported crystal quality of AlN is very low.…”

Исследование анизотропии структурных свойств слоев (0001)GaN, выращенных методом МОГФЭ на a-срезе сапфира (1120)

“…Механизмы эпитаксии слоев нитридов на подложках a-среза сапфира до сих пор исследованы недостаточно полно. Известно, что в слоях нитридов ориентации (0001), выращенных на a-срезе сапфира (1120), возникает анизотропная деформация гетеросистемы [6,14,15]. Также в экспериментах наблюдалась анизотропия структурных свойств слоев нитридов, выращенных на a-срезе сапфира [15], однако остаются невыясненными вопросы связи анизотропии структурных свойств с упругими напряжениями в слое.…”

“…Известно, что в слоях нитридов ориентации (0001), выращенных на a-срезе сапфира (1120), возникает анизотропная деформация гетеросистемы [6,14,15]. Также в экспериментах наблюдалась анизотропия структурных свойств слоев нитридов, выращенных на a-срезе сапфира [15], однако остаются невыясненными вопросы связи анизотропии структурных свойств с упругими напряжениями в слое. Авторы работы [15] пытались объяснить уширение дифракционных кривых качания анизотропным изгибом подложки из-за деформации гетеросистемы при остывании, однако они не смогли количественно описать экспериментальные данные, основываясь на этом предположении.…”

“…Также в экспериментах наблюдалась анизотропия структурных свойств слоев нитридов, выращенных на a-срезе сапфира [15], однако остаются невыясненными вопросы связи анизотропии структурных свойств с упругими напряжениями в слое. Авторы работы [15] пытались объяснить уширение дифракционных кривых качания анизотропным изгибом подложки из-за деформации гетеросистемы при остывании, однако они не смогли количественно описать экспериментальные данные, основываясь на этом предположении. Для решения этого вопроса необходимо проанализировать слои с различными ориентационными соотношениями в плоскости подложки.…”

Проверка гипотезы о термоупругом характере деформации слоя (0001)GaN, выращенного на a-срезе сапфира

“…Необходимо уметь рассчитывать упругую деформацию в слоях применительно к конкретным гетеросистемам. Ранее было установлено [2][3][4][5][6], что на a-срезе сапфира в условиях газофазной эпитаксии формируются слои гексагональной фазы GaN или AlN с осью c по нормали к поверхности, c-ориентация. Анизотропия a-среза сапфира должна при этом сказываться на свойствах слоев, в частности, это относится к термической деформации.…”