[論文レビュー] Fundamental mechanisms of hBN growth by MOVPE

K. Pakuła, Aleksandra Dąbrowska+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、MOVPEを用いた六方晶窒化ホウ素（hBN）の成長が、アンモニア流量と反応器圧力に応じて二つの異なるメカニズムに支配されることを明らかにした。2次元成長は、原子ステップにおける窒素過剰の再構成によって妨げられ、これがボロンの化学吸着をブロックする。フローモジュレーションエpitaxy（FME）は、TEBとアンモニアの流量を周期的に切り替えることで、動的ステップ再構成を誘発し、持続的な2次元成長と高品質で厚いhBN層の形成を可能にする。

ABSTRACT

Hexagonal boron nitride is a promising material for many applications ranging from deep UV emission to an ideal substrate for other two dimensional crystals. Although efforts towards the growth of wafer-scale, high quality material strongly increased in recent years, the understanding of the actual growth mechanism still remains fragmentary and premature. Here, we unveil fundamental growth mechanisms by investigating the growth of hBN by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) in a wide range of growth conditions. The obtained results contradict the widespread opinion about the importance of parasitic gas-phase reactions decreasing the growth efficiency. Two different growth mechanisms that depend on ammonia flow and reactor pressure can be distinguished. Both mechanisms are effective in the case of polycrystalline growth, but the growth of highly ordered, flat layers, is strongly hindered. The problem is caused by a low efficiency of boron chemisorption on N-terminated edges of sp2-BN sheets forming the atomic steps on the surface of the layer. Two-dimensional growth can be activated and sustained by the flow modulation epitaxy (FME) method, an alternate switching of ammonia and TEB flows. The success of the FME method is explained in terms of periodic changes between N- and B-terminated reconstructions at the edges of sp2- BN sheets, which restore boron chemisorption. The presented results identify the fundamental growth mechanisms, which is the prerequisite for any further deterministic development of efficient, high-quality, large-scale hBN growth with MOVPE.

研究の動機と目的

• 異なる条件下におけるhBNのMOVPE成長の基本的メカニズムを特定すること。
• hBN MOVPEにおける長年の課題である自己終端成長と低効率の問題を解消すること。
• 広く仮定されているが、実際には表面再構成に比べて重要性が低いと示された、副次的な気相反応の役割を明確にすること。
• フローモジュレーションエpitaxy（FME）が、厚く均一な2次元hBN成長を可能にする理由を説明すること。
• 大規模かつ高品質なhBN成長を最適化するための決定的フレームワークを提供すること。

提案手法

• サファイア基板上でのhBNのMOVPE成長において、アンモニア流量、反応器圧力、温度を体系的に変化させた。
• フローモジュレーションエpitaxy（FME）を用い、TEBとアンモニアの流量を交互に切り替えることで、前駆体供給と表面再構成の分離を図った。
• 表面状態と成長効率を調査するため、光励起分光法（PL）を用いたin-situおよびex-situの特性評価を行った。
• 表面イメージングによる層の形状解析を通じて、島の形成とステップダイナミクスを同定した。
• 温度と前駆体流量との相関を分析し、表面制限反応と気相反応のメカニズムを区別した。
• 成長条件と光学的性質の関連を明らかにするために、欠陥に起因する中間ギャップ励起発光を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンモニア流量と反応器圧力は、MOVPEにおけるhBNの基本的成長メカニズムにどのように影響を与えるか？
• RQ2 高温かつ十分な前駆体が存在するにもかかわらず、2次元成長が数ナノメートルで自己終端する理由は何か？
• RQ3 hBN MOVPE成長における副次的な気相反応の真の役割は何か？ また、表面再構成の影響と比較するとどうなるか？
• RQ4 フローモジュレーションエpitaxy（FME）は、どのようにしてhBNの持続的2次元成長を可能にするのか？
• RQ5 hBNに光学的に活性な欠陥が生じる原因は何か？ また、それらは成長条件とどのように関連しているか？

主な発見

• 低アンモニア流量・低圧力条件下では、アンモニアの不均一な熱分解により550 °CでもBN成長が可能であり、合成効率は温度に比例して線形に増加する。
• 高アンモニア流量・高反応器圧力（HAHP）条件下では、950 °C以上でBN合成が可能となり、1200 °C以上で効率が飽和する。これはアンモニアが完全に分解するためである。
• 2次元成長は、原子ステップにおける窒素過剰再構成により数ナノメートルで抑制され、ボロンの化学吸着がブロックされ、sp2-BNの三角形島が形成される。
• FMEは、アンモニアが不足する段階で原子ステップを周期的に腐食させ、アンモニアが豊富な段階で安定化することで、ボロンの化学吸着を回復させ、持続的な2次元成長を可能にする。
• FME法は、中間ギャップ光励起発光強度が最大となり、光学的に活性な欠陥の濃度が最も高いことが示された。これは、窒素が不足するサイクルにおける激しいステップ腐食によるものと推定される。
• 本研究は、広く信じられている「副次的な気相反応が成長効率を制限する主因である」という仮定を覆し、表面再構成が主要因であると特定した。