[논문 리뷰] A comprehensive diagram to grow InAlN alloys by plasma-assisted molecular beam epitaxy

Sergio Fernández‐Garrido, Ž. Gačević외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 30.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 13인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 플라즈마 보조 분자 빔 에pitaxy (PA-MBE)로 성장시킨 InAlN 합금에 대한 종합적인 성장도를 수립하여, 인듐 도핑 비율과 표면 형태가 성장 온도와 인듐 농도에 어떻게 의존하는지 규명한다. 아레니우스 행동을 통한 InN 분해( Ea = 2.0 eV)와 인듐 탈착을 정량화함으로써 저자들은 네 가지의 명확한 성장 영역—N 농도 영역, In 빛줄기 영역, 중간 인듐 농도 영역, 인듐 도핑 최소 영역—을 정의하며, 합금 조성과 표면 품질을 정밀하게 제어할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Indium incorporation and surface morphology of InAlN layers grown on (0001)GaN by plasma-assisted molecular beam epitaxy were investigated as a function of the impinging In flux and the substrate temperature in the 450-610$^{\circ}$C range. In incorporation was found to decrease with substrate temperature due to thermal decomposition of the growing layer, while for a given temperature it increased with the impinging In flux until stoichiometry was reached at the growth front. The InN losses during growth followed an Arrhenius behaviour characterized by an activation energy of 2.0 eV. A growth diagram highly instrumental to identify optimum growth conditions was established.

연구 동기 및 목표

• PA-MBE로 성장한 InAlN 에피층에서 인듐 도핑 비율과 표면 형태가 성장 온도와 인듐 농도에 어떻게 의존하는지 이해하기.
• 특히 InN의 열분해와 인듐 탈착에 의해 제한되는 주요 메커니즘을 규명하기.
• 고품질 InAlN 합금을 위한 최적의 성장 조건을 안내하는 실용적인 성장도를 개발하기.
• 광전자 및 전자 소자 응용 분야에서 InN 목분율과 표면 형태를 정밀하게 제어할 수 있도록 하기.

제안 방법

• 실제 InN 목분율 [InN]*를 결정하기 위해 고해상도 X선 회절(HR-XRD)을 이용해 인듐 도핑 비율을 측정하였다.
• 횡단면 SEM를 활용한 비드 등가 압력(BEP) 캘리브레이션을 통해 원자/cm²·s 단위의 금속 및 질소 농도를 정량화하였다.
• InN 손실률의 아레니우스 도표를 작성하여 열분해의 활성화 에너지(Ea = 2.0 eV)를 추출하였다.
• 식 Φlosses_InN = C·[InN]*·exp(-Ea/kBT)를 사용해 InN 손실를 모델링하였으며, 여기서 C = 1.27×10²⁷ s⁻¹·cm²이다.
• 두 개의 고체 선을 사용해 성장 영역을 정의하였다: 스토이키오메트리 조건(ΦIn = ΦN - ΦAl + Φlosses_InN)과 인듐 탈착 시작 조건(ΦIn = ΦN - ΦAl + Φlosses_InN - Φdes_In).
• SEM 및 원자력 현미경(AFM)을 활용해 표면 형태를 특성화하였으며, 특정 조건에서의 스텝 플로우 성장과 매끄러운 표면을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PA-MBE로 성장한 InAlN 에피층에서 성장 온도가 인듐 도핑 비율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 InN의 열분해가 인듐 도핑 비율을 제한하는 데 기여하는 바는 무엇이며, 그 활성화 에너지는 얼마인가?
• RQ3 도핑되는 인듐 농도가 달성 가능한 InN 목분율과 표면 형태에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 온도와 농도에 의해 정의되는 성장 영역 중에서 어떤 영역이 매끄럽고 고품질의 InAlN 표면을 제공하며 결함이 최소화되는가?
• RQ5 InAlN 합금의 최적 성장 조건을 안내할 수 있는 예측 가능한 성장도를 구성할 수 있는가?

주요 결과

• InAlN에서 인듐 도핑 비율은 성장 온도가 높아질수록 InN의 열분해로 인해 감소하며, [InN]*는 450 °C에서 0.33에서 607 °C에서 0.02로 감소한다.
• InN 분해의 활성화 에너지는 2.0 eV로 결정되었으며, 이는 In-N 결합 에너지(1.93 eV)와 이전의 InN 측정 결과와 일치한다.
• InN 손실률에 대한 아레니우스 행동이 확인되었으며, 선형 항수는 1.27×10²⁷ s⁻¹·cm²였다.
• 네 가지의 명확한 성장 영역이 확인되었으며, 각각 N 농도 영역, In 빛줄기 영역, 중간 인듐 농도 영역, 인듐 도핑 최소 영역이다. 중간 인듐 농도 영역에서 가장 매끄러운 표면(RMS < 0.8 nm)을 얻었다.
• 중간 인듐 농도 영역에서는 원자 단위의 스텝과 나선형 힐록스가 관찰되어, GaN의 Ga 농도 조건에서 관찰되는 비틀림에 의한 스텝 플로우 성장과 유사한 성장 메커니즘을 나타낸다.
• 놀랍게도 N 농도 영역에서도 매끄러운 표면(RMS < 0.8 nm)이 관찰되었으며, 이는 일반적으로 III-N 반도체에서 N 농도 조건에서 거친 표면을 보이는 것과는 반대되는 결과이다.