Growth of aluminum gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy

Thema dieser Arbeit ist das Kristallwachstum mittels Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) zur Herstellung von kristallinen Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Schichten auf Saphirsubstraten mit dem Ziel der Verwendung als Pseudo-Substrat für das Wachstum von UV-LED Strukturen. Es wird die Anpassung eines ursprünglich für das Wachstum von GaN ausgelegten HVPE-Reaktors an die Anforderungen des AlGaN-Wachstums gezeigt. Dazu wurden verschiedene Reaktorgeometrien aus Quarzglas zum Einleiten der gasförmigen Ausgangsstoffe AlCl3, GaCl und NH3 in die Wachstumszone untersucht. Dabei stellten sich große Auslassöffnungen und ein schneller Transport der Ausgangsstoffe zum Substrat zur Vermeidung parasitärer Abscheidungen bzw. Vorreaktionen als grundlegend heraus. Die Reaktorgeometrie wurde für weitere Wachstumsstudien fixiert und die Homogenität der Al-Verteilung sowie Quelleneigenschaften der Al-Quelle untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich das AlGaN-HVPE-Wachstum in der festgelegten Reaktorgeometrie durch ein quasi-thermodynamisches Modell beschreiben lässt. Mittels des optimierten HVPE-Reaktors wurde Al0.45Ga0.55N direkt auf c-planar orientiertem Saphir abgeschieden. Die Ausbildung einer einheitlich c-planar orientierten AlGaN-Oberfläche ist jedoch durch die Ausbildung fehlorientierter Kristallite gestört. Als Ursache für polykristallines Wachstum wurde die verspannungsbedingte Schädigung von Epitaxieschicht und Substrat zu Beginn des Wachstums identifiziert. Durch die in-situ Konditionierung der Saphiroberfläche mit AlCl3 und anschließender Nitridierung mit NH3 vor dem Wachstumsstart kann die Anzahl fehlorientierter Kristallite beim AlGaN-Wachstum verringert werden. Es zeigte sich zudem, dass eine dünne AlN-Startschicht (500 nm) die Ausbildung GaN-reicher Gebiete, die die Transmissivität der AlGaN-Schicht im UV-Bereich verringern, verhindert. Durch epitaktisch laterales Überwachsen (ELO) strukturierter Saphirsubstrate (PSS) konnte durch eine Verspannungsreduktion die Ausbildung fehlorientierter Kristallite vollständig unterdrückt werden. Im Ergebnis wurden geschlossene, einheitlich orientierte AlGaN-Schichten gewachsen. Bei der Abscheidung auf PSS mit entlang [1-100]Saphir verlaufenden Gräben wurde mittels Röntgendiffraktometrie und Transmissionselektronenmikroskopie a-planar orientiertes Al0.98Ga0.02N-Wachstum beobachtet. Es wurde gezeigt, dass die Abschei-dung bis zu 60 µm dicker a-planar orientierter AlGaN-Schichten mit Versetzungsdichten kleiner 10^8 /cm² in Gebieten hoher Kristallqualität und Stapelfehlerdichten kleiner 10^4 /cm möglich ist. Als Ursache des a-planaren Wachstums auf den PSS wurde c-planares AlGaN-Wachstum auf den a-planar orientierten Saphir-Grabenwänden identifiziert. Auf Substraten mit Gräben entlang [11-20]Saphir konnte durch Erhöhen der Grabentiefe, Optimierung der Wachstumsparameter und des Substratfehlschnitts unerwünschtes AlGaN-Wachstum vom Grabenboden und den Seitenwänden des PSS unterdrückt werden. Es wurden einheitlich c-planar orientierte AlGaN-Schichten im mittleren Kompositionsbereich mit Schichtdicken von bis zu 40 µm mit einer Gesamtversetzungsdichte von 5x10^9 /cm² (über den Gräben des PSS) und 8x10^9 /cm² (über den Stegen des PSS) gewachsen. Trotz des ELO treten Rissnetzwerke in den AlGaN-Schichten auf und lassen auf einen kontinuierlichen Einbau tensiler Verspannung während des Wachstums schließen. Durch Optimierung der PSS-Strukturen wurde eine Verbesserung der Isotropieeigenschaften der AlGaN-Schichten erreicht. Das störende Wachstum der AlGaN-Kristallite auf den nicht c-planar ausgerichteten Saphirfacetten kann durch die Festlegung der angebotenen PSS-Facetten sowie die Substratkonditionierung kontrolliert werden.In this work hydride vapor phase epitaxy (HVPE) of crystalline aluminum gallium nitride layers on sapphire substrates is investigated as to use as pseudo-substrate for UV-LED growth. An HVPE reactor, formaly designed for GaN growth, was adapted to AlGaN growth requirements. Therefore different reactor geometries made from quartz glass were tested to introduce the gaseous precursors AlCl3, GaCl und NH3 into the growth zone. Wide outlets and a fast transport of precursors towards the substrate were found to be fundamental to avoid parasitic deposition and pre-reactions. The reactor geometry was fixed for further growth investigations. The Al distribution homogeneity and properties of the Al source were examined. Furthermore, the basic description of the AlGaN HVPE growth by a quasi-thermodynamic model is shown. Using the optimized HVPE reactor Al0.45Ga0.55N was grown directly on c-plane sapphire. Unfortunately, misoriented crystllites hinder the formation of a homogeneous c-plane oriented AlGaN surface. This is caused by a strain induced damage of the epitaxial layer and substrate at the beginning of the AlGaN growth. It was found, that the amount of misoriented crystallites during AlGaN deposition can be decreased by in-situ conditioning of the sapphire surface by AlCl3 and subsequent nitridation by NH3 prior to growth. In addition, an AlN buffer layer of 500 nm thickness prevents the formation of GaN-rich domains that can lower the transmissivity of the AlGaN layer in the UV spectral range. A strain reduction and hence the avoidance of polycrystalline growth was achieved by epitaxial lateral overgrowth (ELO) of patterned sapphire substrates (PSS). As a result, completely coalesced homogeneously oriented AlGaN layers were deposited. A-plane Al0.98Ga0.02N growth was observed by x-ray diffraction and transmission electron microscopy on PSS with trenches running along [1-100]sapphire. A-plane oriented AlGaN layers up to 60 µm thickness exhibit stacking fault densities below 10^4 /cm and dislocation densities below 10^8 /cm² in regions of enhanced crystal quality. It was found that a-plane growth on PSS is caused by c-plane AlGaN growth on a-plane oriented sapphire sidewalls of the PSS. On substrates exhibiting trenches parallel [11-20]sapphire parasitic AlGaN growth on trench sidewalls and the trench bottom could be suppressed by increasing the trench depth, optimization of growth parameters and choice of the substrate miscut. Homogeneously oriented c-planar AlGaN layers in the mid composition range of up to 40 µm layer thickness show a dislocation density of 5x10^9 /cm² (above PSS trenches) and 8x10^9 /cm² (above PSS ridges). Despite the ELO process, the AlGaN layers show crack networks confirming an evolving generation of tensile strain during growth. By optimization of the PSS pattern, an improvement of the isotropic properties of the AlGaN layers was achieved. The parasitic growth of AlGaN crystallites on non-c-plane sapphire facets can be controlled by proper definition of the PSS facets and substrate pre-treatment