| Περίληψη |
Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η πειραματική έρευνα
με στόχο την παραγωγή γνώσης για την επιταξιακή ανάπτυξη ετεροδομών-
νανοδομών των ημιαγωγών III-Νιτριδίων σε νέες κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις
και υποστρώματα. Συγκεκριμένα, ερευνήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη GaN επιπέδου-a πάνω σε υποστρώματα σαπφείρου επιπέδου-r, όπου δόθηκε και η μεγαλύτερη
βαρύτητα, καθώς και, μια πρώτη διερεύνηση, της ανάπτυξης GaN επιπέδου-c πάνω
σε υποστρώματα αδάμαντος {100}, {110} και {111}, με τη μέθοδο επίταξης με
μοριακές δέσμες (ΜΒΕ) με πηγή RF πλάσματος αζώτου [RF-ΜΒΕ ή plasma assisted
MBE (PA-MBE)].
Οι ιδιότητες των ετεροδομών GaN ερευνήθηκαν με ένα μεγάλος εύρος
πειραματικών τεχνικών, με έμφαση στις μελέτες επιφανειακής μορφολογίας και
δομικών ιδιοτήτων με τις τεχνικές Μικροσκοπίας Ατομικών Δυνάμεων (AFM) και
Περίθλασης Ακτινών-Χ (XRD), αντίστοιχα. Η αξιολόγηση των οπτοηλεκτρονικών
ιδιοτήτων του υλικού έγινε με μετρήσεις φασματοσκοπίας φωτοφωταύγειας (PL).
Πάνω στα υποστρώματα σαπφείρου (Al2O3) επιπέδου-r μελετήθηκε η
ανάπτυξη ετεροδομών GaN επιπέδου-a, δηλαδή σε μη πολική κρυσταλλογραφική
διεύθυνση. Αρχικά μελετήθηκε η νιτρίδωση του σαπφείρου επιπέδου-r, στη συνέχεια
ο σχηματισμός στρωμάτων πυρηνοποίησης GaN ή AlN επιπέδου-a και τελικά η
επιταξιακή ανάπτυξη λεπτών υμενίων GaN επιπέδου–a.
Διαπιστώθηκε ότι η νιτρίδωση προκαλεί την εμφάνιση περιοδικών βαθμίδων
στην επιφάνεια του σαπφείρου, που αποδίδονται σε τυχαία μικρή γωνία απόκλισης
της κοπής του υποστρώματος από το επίπεδο-r. Η διάρκεια της νιτρίδωσης είναι
καθοριστικής σημασίας. Όσο πιο πολύ διαρκεί τόσο περισσότερο αυξάνεται η
τραχύτητα της επιφάνειας του υποστρώματος, καθώς και η απόσταση των βαθμίδων,
οπότε και το ύψος κάποιων εξ αυτών. Η θερμοκρασία είναι ένας άλλος παράγοντας
που επηρεάζει την νιτρίδωση. Η αύξηση της αυξάνει το ποσό της νιτρίδωσης, καθώς
και την τραχύτητα της επιφάνειας του υποστρώματος. Η επίτευξη της βέλτιστης
νιτρίδωσης υποδεικνύεται από ταυτόχρονες παρατηρήσεις Ανακλαστικής Περίθλασης
Ηλεκτρονίων Υψηλής Ενέργειας (RHEED), με κριτήριο την εμφάνιση επιφανειακής
αναδόμησης, η οποία μετά το πέρας ένος κρίσιμου χρόνου χάνεται και εμφανίζεται
τραχύτητα στην επιφάνεια. Εκτιμήθηκε ότι αποτελεσματική νιτρίδωση επιτυγχάνεται
στη θερμοκρασία των 400 °C, όπου παρατηρείται ταχύτατη εμφάνιση της
αναδόμησης και χαμηλή επιφανειακή τραχύτητα.
Η έρευνα του σχηματισμού στρωμάτων πυρηνοποίησης ΙΙΙ-νιτριδίων
επιπέδου-a περιελάμβανε την ανάπτυξη GaN ή AlN σε διάφορες θερμοκρασίες
υποστρώματος. Διαπιστώθηκε ότι στις υψηλές θερμοκρασίες σχηματίζονται
τρισδιάστατες (3D) νησίδες ανάμεσα στις βαθμίδες του υποστρώματος, χωρίς να το
καλύπτουν πλήρως. Η ανάπτυξη λεπτών υμενίων GaN επιπέδου-a, που θα είναι
συμπαγή ανεξαρτήτως του πάχους τους, απαιτεί την ύπαρξη ενός αρχικού συμπαγούς
λεπτού στρώματος πυρηνοποίησης, το οποίο επιτυγχάνεται σε χαμηλή θερμοκρασία
κάτω των 500 °C. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτά, επιλέχθηκε μία ακολουθία
ανάπτυξης δύο σταδίων (two-step growth) για την ανάπτυξη GaN επιπέδου-a, όπου
αρχικά αναπτύσσεται ένα στρώμα 20 nm GaN ή AlN σε χαμηλή θερμοκρασία. Η
ανάπτυξη υμενίου 1,24 μm GaN απ’ ευθείας σε 800 °C, σε συνθήκες περίσσειας ροής
αζώτου, έδωσε πολύ ομαλή επιφάνεια αλλά εξαιρετικά υψηλή κρυσταλλική
μωσαϊκότητα.
Το επόμενο στάδιο της ερευνητικής προσπάθειας αφιερώθηκε στη μελέτη της
επιταξιακής ανάπτυξης υμενίων GaN επιπέδου-a, πάνω σε βελτιστοποιημένο στρώμα
πυρηνοποίησης. Η έρευνα εστιάσθηκε στον προσδιορισμό της επίδρασης της
θερμοκρασίας υποστρώματος και των τιμών λόγου ροών ΙΙΙ/V άνω του 1 (περίσσεια
Ga), στους μηχανισμούς της επιταξιακής ανάπτυξης και τις ιδιότητες των υμενίων
GaN. Η ανάπτυξη σε υψηλές θερμοκρασίες (750-800 °C) και σταθερό λόγο ροών
III/V=1,8, βρέθηκε ότι οδηγεί στον σχηματισμό υμενίων αποτελούμενων από
συνενωμένες επιμήκεις (κατά τον άξονα-c) 3D-νησίδες και μειωμένο επιταξιακό
πάχος, λόγω αυξημένης επανεξάχνωσης των προσπιπτόντων ατόμων Ga στην
επιφάνεια. Χαρακτηριστικό αυτών των νησίδων είναι οι πολύ ομαλές επιφάνειες στο
κέντρο 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 GaN
επιπέδου-a έδειξαν την ελάχιστη κρυσταλλική μωσαϊκότητα και την μέγιστη ένταση
με το ελάχιστο φασματικό εύρος της εκπεμπόμενης PL. Επιπλέον, παρατηρήθηκε
ισοτροπική συμπεριφορά όσον αφορά στην κρυσταλλική μωσαϊκότητα κατά τις
διευθύνσεις των αξόνων-c και -m πάνω στην επιφάνεια. Τα αποτελέσματα
αποδόθηκαν σε ισοτροπική διάχυση των ατόμων Ga πάνω στην επιφάνεια GaN
επιπέδου-a, όταν η επιφάνεια καλύπτεται από ένα στρώμα προσατόμων Ga, σε
συμφωνία με θεωρητικούς υπολογισμούς.
Τέλος, μελετήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη GaN πάνω σε
υποστρώματα αδάμαντος {100}, {110} και {111}. Διαπιστώθηκε ότι σε όλες τις
περιπτώσεις αναπτύχθηκαν λεπτά υμένια μονοκρυσταλλικού GaN επιπέδου-c και
μόνο στην περίπτωση υποστρώματος {100} παρατηρήθηκε ότι συνυπήρχαν δύο
εναλλακτικές διευθετήσεις του κρυστάλλου GaN, που αντιστοιχούν σε στροφή 30°
γύρω από τον άξονα-c. Τα υμένια GaN είχαν πολικότητα μετώπου-N και περιείχαν
στενές αντεστραμμένες περιοχές (IDs) πολικότητας μετώπου-Ga. Η κρυσταλλική
ποιότητα των δειγμάτων ήταν βελτιωμένη πάνω στα υποστρώματα αδάμαντα {111}.
Τα στρώματα GaN υπόκεινται σε διατατική (tensile) ελαστική τάση/παραμόρφωση
που οφείλεται στη διαφορά των συντελεστών θερμικής διαστολής GaN και αδάμαντα,
αλλά δεν παρατηρήθηκαν μικρο-ρωγμές σε υμένια GaN πάχους 1,4 μm πάνω σε
αδάμαντα (111).
Συμπερασματικά, η διδακτορική διατριβή οδήγησε στη φυσική κατανόηση
και βελτιστοποίηση της ετεροεπιταξιακής ανάπτυξης, με PA-MBE, του ημιαγωγού
GaN επιπέδου-a πάνω σε υποστρώματα Al2O3 επιπέδου-r. Ετεροδομές GaN σε αυτή
τη μη-πολική διεύθυνση μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση διόδων εκπομής
φωτός (LED) και διόδων λέιζερ (LD), λόγω εξάλειψης των ηλεκτρικών πεδίων μέσα
στα κβαντικά πηγάδια της ενεργού περιοχής τους, που προκαλούν χωρικό διαχωρισμό
ηλεκτρονίων και οπών. Στην περίπτωση των υποστρωμάτων αδάμαντος, η ανάπτυξη
μονοκρυσταλλικού GaN επιπέδου-c, ανεξάρτητα του προσανατολισμού των
υποστρωμάτων, είναι ελπιδοφόρα για την ανάπτυξη ετεροδομών III-νιτριδίων
κατάλληλων για εφαρμογές σε διατάξεις ισχύος πάνω σε πολυκρυσταλλικά
υποστρώματα. Τα υποστρώματα αυτά είναι διαθέσιμα σε μεγάλα μεγέθη και
προσφέρουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα για μεγιστοποίηση της ισχύος των
διατάξεων.
|
Επίταξη με μοριακές δέσμες του ημιαγωγού GaN πάνω σε υποστρώματα αδάμαντος και σαπφείρου επιπέδου-r
