Исследования полуполярного нитрида галлия, выращенного на m-сапфире хлоридной газофазной эпитаксией

  • Павел Владимирович Середин Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-6724-0063
  • Николай Андреевич Курило Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7652-6912
  • Обаид Радам Али Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
  • Никита Сергеевич Буйлов Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-1793-4400
  • Дмитрий Леонидович Голощапов Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1400-2870
  • Сергей Александрович Ивков Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-1658-5579
  • Александр Сергеевич Леньшин Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1939-253X
  • Иван Никитич Арсентьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Политехническая, 26, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация
  • Алексей Викторович Нащекин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Политехническая, 26, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-2542-7364
  • Шукрилло Шамсидинович Шарофидинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Политехническая, 26, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация
  • Андрей Михайлович Мизеров Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки «Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук», ул. Хлопина, 8, корпус 3, лит. А, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-9125-6452
  • Максим Сергеевич Соболев Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки «Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук», ул. Хлопина, 8, корпус 3, лит. А, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8629-2064
  • Евгений Викторович Пирогов Federal State Budgetary Institution of the Highest Education and Science «Sankt-Petersburg National Research Academic University of Russian Academy of Sciences», 8 Khlopina, str., Bd. 3, A, Sankt-Petersburg 194021, Russian Federation https://orcid.org/0000-0001-7186-3768
  • Игорь Валентинович Семейкин АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7186-3768
Ключевые слова: GaN, AlN, m-Al2O3, химическая газофазная эпитаксия

Аннотация

     В нашем исследовании мы проанализировали результат влияния неполярной m-плоскости сапфировой подложки на структурные, морфологические, оптические свойства и Рамановское рассеяние выращенной эпитаксиальной пленки GaN.
     Мы обнаружили, что выбранные технологические условия хлорид гидридной эпитаксии позволяют получить образцы структурно качественного полуполярного вюрцитного нитрида галлия с (11¯22) ориентацией на m-сапфире. С использованием комплекса структурно-спектроскопических методов анализа изучены структурные, морфологические и оптических свойства пленок, определен уровень остаточных биаксиальных напряжений. Набор результатов свидетельствует о высоком структурном и оптическом качестве эпитаксиальной пленки нитрида галлия.
      Оптимизация использованной технологической методики в будущем может стать  многообещающим подходом
роста качественных GaN структур на подложках m-сапфира.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Павел Владимирович Середин, Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, заведующий кафедрой физики твердого
тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Николай Андреевич Курило, Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

аспирант, кафедра
физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж,
Российская Федерация).

Обаид Радам Али, Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

аспирант, кафедра физики
твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская
Федерация).

Никита Сергеевич Буйлов, Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., преподаватель, кафедра физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Дмитрий Леонидович Голощапов, Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н.,
доцент, кафедра физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Сергей Александрович Ивков, Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., преподаватель, кафедра физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет, (Воронеж, Российская Федерация).

Александр Сергеевич Леньшин, Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д.ф.-м.н., вед. н.с. кафедра физики твердого тела и наноструктур,
Воронежский государственный университет, (Воронеж, Российская Федерация).

Иван Никитич Арсентьев, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Политехническая, 26, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация

д. т. н., вед. н. с., Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН
(Санкт-Петербург, Российская Федерация).

Алексей Викторович Нащекин, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Политехническая, 26, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация

к. ф.-м. н., с. н. с.,
Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе
РАН, (Санкт-Петербург, Российская Федерация).

Шукрилло Шамсидинович Шарофидинов, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Политехническая, 26, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация

к. ф.-м.
н., н. с., Физико-технический институт им. А. Ф.
Иоффе РАН (Санкт-Петербург, Российская Федерация).

Андрей Михайлович Мизеров, Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки «Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук», ул. Хлопина, 8, корпус 3, лит. А, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация

к. ф.-м. н., в. н. с.,
Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской
академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).

Максим Сергеевич Соболев, Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки «Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук», ул. Хлопина, 8, корпус 3, лит. А, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация

к. ф.-м. н., и. о. зав.
лабораторией наноэлектроники, Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук
(Санкт-Петербург, Российская Федерация).

Евгений Викторович Пирогов, Federal State Budgetary Institution of the Highest Education and Science «Sankt-Petersburg National Research Academic University of Russian Academy of Sciences», 8 Khlopina, str., Bd. 3, A, Sankt-Petersburg 194021, Russian Federation

м. н. с., Санкт-Петербургский национальный исследовательский
Академический университет Российской академии
наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).

Игорь Валентинович Семейкин, АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация

к. т. н., технический директор, Научно-исследовательский институт электронной техники (Воронеж, Российская Федерация).

Литература

Hibberd M. T., Frey V., Spencer B. F., Mitchell P. W., Dawson P., Kappers M. J., Oliver R. A., Humphreys C. J., Graham D. M. Dielectric response of wurtzite gallium nitride in the terahertz frequency range. Solid State Communications. 2016;247: 68–71.https://doi.org/10.1016/j.ssc.2016.08.017

Ambacher O., Majewski J., Miskys C., Link A., Hermann M., Eickhoff M., Stutzmann M., Bernardini F., Fiorentini V., Tilak V., Schaff B., Eastman L. F. Pyroelectric properties of Al(In)GaN/GaN hetero- and quantum well structures. Journal of Physics: Condensed Matter. 2002;14(13): 3399–3434. https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/13/302

Grahn H. T. Polarization properties of nonpolar GaN films and (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells. Physica Status Solidi (b). 2004;241(12): 2795–2801. https://doi.org/10.1002/pssb.200405040

Katzir S. The discovery of the piezoelectric effect. Archive for History of Exact Sciences. 2003;57(1): 61–91. https://doi.org/10.1007/s00407-002-0059-5

Xu B., Jiu L., Gong Y., Zhang Y., Wang L. C., Bai J., Wang T. Stimulated emission from semi-polar (11-22) GaN overgrown on sapphire. AIP Advances. 2017;7(4): 045009. https://doi.org/10.1063/1.4981137

Landmann M., Rauls E., Schmidt W. G., Neumann M. D., Speiser E., Esser N. GaN m -plane: Atomic structure, surface bands, and optical response. Physical Review B. 2015;91(3): 035302. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.035302

Fu H., Zhang X., Fu K., Liu H., Alugubelli S. R., Huang X., Chen H., Baranowski I., Yang T.-H., Xu K., Ponce F. A., Zhang B., Zhao Y. Nonpolar vertical GaNon-GaN p–n diodes grown on free-standing (10-10) m-plane GaN substrates. Applied Physics Express. 2018;11(11): 111003. https://doi.org/10.7567/APEX.11.111003

Wang M., Xu K., Xu S. Photoluminescence and Raman Scattering signatures of anisotropic optical properties in freestanding m‑, a- and c‑plane GaN substrates. The Journal of Physical Chemistry C. 2020;124(33): 18203–18208. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c04959

Maliakkal C. B., Rahman A. A., Hatui N., Chalke B. A., Bapat R. D., Bhattacharya A. Comparison of GaN nanowires grown on c-, r- and m-plane sapphire substrates. Journal of Crystal Growth. 2016;439:47–53. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2015.12.044

de Mierry P., Kriouche N., Nemoz M., Nataf G. Improved semipolar (112¯2) GaN quality using asymmetric lateral epitaxy. Applied Physics Letters. 2009; 94(19): 191903. https://doi.org/10.1063/1.3134489

Seredin P. V., Lenshin A. S., Mizerov A. M., Leiste H., Rinke M. Structural, optical and morphological properties of hybrid heterostructures on the basis of GaN grown on compliant substrate por-Si(111). Applied Surface Science. 2019;476: 1049–1060. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.239

Boichot R., Chen D., Mercier F., Baillet F., Giusti G., Coughlan T., Chubarov M., Pons M. Epitaxial growth of AlN on (0001) sapphire: assessment of HVPE process by a design of experiments approach. Coatings. 2017;7(9): 136. https://doi.org/10.3390/coatings7090136

Hu J., Wei H., Yang S., Li C., Li H., Liu X., Wang L., Wang Z. Hydride vapor phase epitaxy for gallium nitride substrate. Journal of Semiconductors. 2019;40(10): 101801. https://doi.org/10.1088/1674-4926/40/10/101801

Seredin P. V., Goloshchapov D. L., Arsentyev I. N., Sharofidinov S., Kasatkin I. A., Prutskij T. HVPE fabrication of GaN sub-micro pillars on preliminarily treated Si(001) substrate. Optical Materials. 2021;117: 111130. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111130

Bessolov V. N., Zhilyaev Yu. V., Konenkova E. V., Poletaev N. K., Sharofidinov Sh., Shcheglov M. P. Epitaxy of gallium nitride in semi-polar direction on silicon. Technical Physics Letters. 2012;38(1): 9–11. https://doi.org/10.1134/S1063785012010051

Nikolaev V. I., Pechnikov A. I., Stepanov S. I., Sharofidinov Sh. Sh., Golovatenko A. A., Nikitina I. P., Smirnov A. N., Bugrov V. E., Romanov A. E., Brunkov P. N., Kirilenko D. A. Chloride epitaxy of b-Ga2O3 layers grown on c-sapphire substrates. Semiconductors. 2016;50(7): 980–983. https://doi.org/10.1134/S1063782616070186

Wu Z., Shen X., Liu C., Li K., Shen W., Kang J., Fang Z. In situ asymmetric island sidewall growth of high-quality semipolar (112¯2) GaN on m-plane sapphire. CrystEngComm. 2016;18(29): 5440–5447. https://doi.org/10.1039/C6CE00878J

Ni X., Özgür Ü., Baski A. A., Morkoç H., Zhou L., Smith D. J., Tran C. A. Epitaxial lateral overgrowth of (112¯2) semipolar GaN on (11¯00) m-plane sapphire by metalorganic chemical vapor deposition. Applied Physics Letters. 007;90(18): 182109. https://doi.org/10.1063/1.2735558

Jinno R., Chang C. S., Onuma T., Cho Y., … Jena D. Crystal orientation dictated epitaxy of ultrawide-bandgap 5.4- to 8.6-eV a-(AlGa)2O3 on m-plane sapphire. Science Advances. 2021;7(2): eabd5891. https://doi.org/10.1126/sciadv.abd5891

Seredin P. V., Domashevskaya P., Arsentyev I. N., Vinokurov D. A., Stankevich A. L., Prutskij T. Superstructured ordering in AlxGa1−xAs and GaxIn1–xP alloys. Semiconductors. 2013;47(1): 1–6. https://doi.org/10.1134/S106378261301020X

Domashevskaya E. P., Seredin P. V., Lukin A. N., Bityutskaya L. A., Grechkina M. V., Arsentyev I. N., Vinokurov D. A., Tarasov I. S. XRD, AFM and IR investigations of ordered AlGaAs2 phase in epitaxial AlxGa1–xAs/GaAs (100) heterostructures. Surface and Interface Analysis. 2006;38(4): 828–832. https://doi.org/10.1002/sia.2306

Seredin P. V., Lenshin A. S., Zolotukhin D. S., Arsentyev I. N., Nikolaev D. N., Zhabotinskiy A. V. Experimental study of structural and optical properties of integrated MOCVD GaAs/Si(001) heterostructures. Physica B: Condensed Matter. 2018;530: 30–37. https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.11.028

Seredin P. V., Glotov A. V., Domashevskaya E. P., Arsentyev I. N., Vinokurov D. A., Tarasov I. S. Structural features and surface morphology of AlxGay-In1-x-yAszP1-z/GaAs(1 0 0) heterostructures. Applied Surface Science. 2013;267: 181–184. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.09.053

Seredin P. V., Ternovaya V. E., Glotov A. V., Len’shin A. S., Arsent’ev I. N., Vinokurov D. A., Tarasov I. S., Leiste H., Prutskij T. X-ray diffraction studies of heterostructures based on solid solutions AlxGa1–xAsyP1–y:Si. Physics of the Solid State. 2013;55(10): 2161–2164. https://doi.org/10.1134/S1063783413100296

Li Z., Jiu L., Gong Y., Wang L., Zhang Y., Bai J., Wang T. Semi-polar (11-22) AlGaN on overgrown GaN on micro-rod templates: Simultaneous management of crystal quality improvement and cracking issue. Applied Physics Letters. 2017;110(8): 082103. https://doi.org/10.1063/1.4977094

Morkoç H. Handbook of nitride semiconductors and devices: materials properties, physics and growth. Volume 1. Wiley; 2008. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9783527628438

Collaboration: Authors and editors of the volumes III/17A-22A-41A1a. List of frequently used symbols and abbreviations, conversion factors In: Group IV Elements, IV-IV and III-V Compounds. Part a – Lattice Properties. O. Madelung, U. Rössler, M. Schulz (eds.). Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag; 2001;a: 1–7. http://materials.springer.com/lb/docs/sm_lbs_978-3-540-31355-7_2

Harutyunyan V. S., Aivazyan A. P., Weber E. R., Kim Y., Park Y., Subramanya S. G. High-resolution x-ray diffraction strain-stress analysis of GaN/sapphire heterostructures. Journal of Physics D: Applied Physics. 2001;34(10A): A35–A39. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/10A/308

Zeng Y., Ning J., Zhang J., Jia Y., Yan C., Wang B., Wang D. Raman analysis of E2 (High) and A1 (LO) phonon to the stress-free GaN grown on sputtered AlN/graphene buffer layer. Applied Sciences. 2020;10(24): 8814. https://doi.org/10.3390/app10248814

Li P. G., Lei M., Tang W. H. Raman and photoluminescence properties of a-Al2O3 microcones with hierarchical and repetitive superstructure. Materials Letters. 2010;64(2): 161–163. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2009.10.032

Lughi V., Clarke D. R. Defect and stress characterization of AlN films by Raman spectroscopy. Applied Physics Letters. 2006;89(24): 241911. https://doi.org/10.1063/1.2404938

Davydov V. Yu., Kitaev Yu. E., Goncharuk I. N., Smirnov A. N., Graul J., Semchinova O., Uffmann D., Smirnov M. B., Mirgorodsky A. P., Evarestov R. A. Phonon dispersion and Raman scattering in hexagonal GaN and AlN. Physical Review B. 1998;58(19): 12899–12907. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.12899

Tripathy S., Chua S. J., Chen P., Miao Z. L. Micro-Raman investigation of strain in GaN and AlxGa1–xN/GaN heterostructures grown on Si(111). Journal of Applied Physics. 2002;92(7): 3503–3510. https://doi.org/10.1063/1.1502921

Seredin P. V., Glotov A. V., Ternovaya V. E., Domashevskaya E. P., Arsentyev I. N., Vavilova L. S., Tarasov I. S. Spinodal decomposition of GaxIn1−xAsyP1−y quaternary alloys. Semiconductors. 2011;45(11): 1433–1440. https://doi.org/10.1134/S1063782611110236

Seredin P. V., Glotov A. V., Domashevskaya E. P., Arsentyev I. N., Vinokurov D. A., Tarasov I. S., Zhurbina I. A. The substructure and luminescence of lowtemperature AlGaAs/GaAs(100) heterostructures. Semiconductors. 2010;44(2): 184–188. https://doi.org/10.1134/S1063782610020089

Seredin P. V., Lenshin A. S., Zolotukhin D. S., Arsentyev I. N., Zhabotinskiy A. V., Nikolaev D. N. Impact of the substrate misorientation and its preliminary etching on the structural and optical properties of integrated GaAs/Si MOCVD heterostructures. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2018;97: 218–225. https://doi.org/10.1016/j.physe.2017.11.018

Choi S., Heller E., Dorsey D., Vetury R., Graham S. Analysis of the residual stress distribution in AlGaN/GaN high electron mobility transistors. Journal of Applied Physics. 2013;113(9): 093510. https://doi.org/10.1063/1.4794009

Опубликован
2023-03-09
Как цитировать
Середин, П. В., Курило, Н. А., Али, О. Р., Буйлов, Н. С., Голощапов, Д. Л., Ивков, С. А., Леньшин, А. С., Арсентьев, И. Н., Нащекин, А. В., Шарофидинов, Ш. Ш., Мизеров, А. М., Соболев, М. С., Пирогов, Е. В., & Семейкин, И. В. (2023). Исследования полуполярного нитрида галлия, выращенного на m-сапфире хлоридной газофазной эпитаксией. Конденсированные среды и межфазные границы, 25(1), 103-111. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/10978
Раздел
Оригинальные статьи