Material aspects of hydride vapor phase epitaxy of aluminum gallium nitride

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 Kompositionsvariationen sowie andererseits die Wahl des Reaktormaterials zu Vermeidung von parasitären Reaktionen und Fremdatomeinbau. Zunächst wurde eine 20 µm dicke AlGaN-Schicht auf einer Honigwaben-ähnlichen Substratstrukturierung abgeschieden, womit gegenüber der Verwendung einer Streifengeometrie die Anisotropie der Materialqualität um den Faktor 4 verringert werden konnte. Allerdings nukleierten auf dem vergleichsweise komplexer strukturierten Saphirsubstrat mehr unterschiedliche AlGaN-Domänen nicht-c-planarer Orientierung, die bis in Schichtdicken von 10 µm propagieren, bevor sie von c-planaren AlGaN-Domänen überwachsen wurden. In dieser Arbeit konnten sämtliche volumenmäßig relevanten dieser Domänen identifiziert 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 Abscheidung von AlGaN verhalten. Die Erkenntnis, dass AlGaN-Domänen der Orientierung (0-103)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), (01100), (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 Substratstrukturen konnte der Koaleszenzprozess auf etwa 2 µm verkürzt werden. Die Untersuchung der verwendeten AlN-Pufferschicht ergab, dass für die Schichtqualität der darauf abgeschiedenen AlGaN-Schichten möglichst geringe Halbwertsbreiten der Rockingkurven in der Pufferschicht vorteilhaft sind, nicht jedoch eine glatte Oberflächenmorphologie. Da die kristalline Qualität der AlN-Pufferschicht beim Übergang einer 3D-Oberfläche zu einer glatten Oberfläche abnimmt, ließen die durchgeführten Untersuchungen darauf schliessen, dass eine Koaleszenz der Pufferschicht unbedingt zu vermeiden ist. Der erstmalig in der HVPE von AlGaN untersuchte Kompositionsgradient ermöglicht, 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. Weiter konnte die Reaktion zwischen den Aluminium-Präkursoren AlCln und Quarz eindeutig als Quelle für Silizium- und Sauerstoff-Verunreinigungen in gewachsenen AlGaN-Schichten identifiziert werden. Durch die Substitution des Gruppe-III führenden Reaktorrohres mit Carbonglas konnte die Konzentration von Silizium in dafür gewachsenen AlN-Schichten um drei Größenordnungen auf 4*1016 cm-3 reduziert werden ohne die Konzentration von Kohlenstoff signifikant zu erhöhen. Es wurde dadurch erstmals möglich, 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.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 µm thick AlGaN layer was grown on a hexagonal PSS, which led to a reduction 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 thicknesses of 10 µm. 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 (0-103)III-N ∥ (1-100)sapphire grew selectively on sapphire m-facets (1-100), (-1010), (01-10), but not on (0-110), (01100), (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 finding could be used to fabricate triangular PSS that allowed for overgrowth and coalescence within 2 µm instead of 10 µm 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 unambiguously 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*1016 cm-3 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.BMBF, 03ZZ0112B, Advanced UV for LifeDFG, SFB 787, Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelement