[论文解读] A comprehensive diagram to grow InAlN alloys by plasma-assisted molecular beam epitaxy

Sergio Fernández‐Garrido, Ž. Gačević+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2024

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 13被引用 47

一句话总结

本研究基于等离子体辅助分子束外延（PA-MBE）技术，建立了InAlN合金的全面生长图谱，揭示了铟掺杂量与表面形貌如何随生长温度和铟束流而变化。通过量化InN的阿伦尼乌斯行为（Ea = 2.0 eV）及铟脱附行为，作者定义了四种不同的生长区域——氮富集区、铟液滴区、中间富铟区以及铟掺杂可忽略区，从而实现对合金成分与表面质量的精确控制。

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.

研究动机与目标

• 理解InAlN外延层中铟掺杂量与表面形貌对生长温度及入射铟束流的依赖关系。
• 识别限制铟掺杂的主要机制，特别是InN的热分解与铟脱附行为。
• 开发一种实用的生长图谱，指导高质量InAlN合金的最优生长条件。
• 实现对InAlN外延层中InN摩尔分数与表面形貌的精确控制，以服务于光电子与电子器件应用。

提出的方法

• 通过高分辨率X射线衍射（HR-XRD）测量铟掺杂量，以确定实际的InN摩尔分数[InN]*。
• 利用截面扫描电子显微镜（SEM）进行束流当量压力（BEP）校准，量化单位时间单位面积的金属与氮束流（原子/cm²·s）。
• 绘制InN损失速率的阿伦尼乌斯图，提取热分解活化能（Ea = 2.0 eV）。
• 采用公式Φlosses_InN = C·[InN]*·exp(-Ea/kBT)对InN损失进行建模，其中C = 1.27×10²⁷ s⁻¹·cm²。
• 通过两条实线定义生长区域：一条为化学计量条件（ΦIn = ΦN - ΦAl + Φlosses_InN），另一条为铟脱附起始条件（ΦIn = ΦN - ΦAl + Φlosses_InN - Φdes_In）。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）表征表面形貌，识别在特定条件下呈现层状生长与光滑表面。

实验结果

研究问题

• RQ1 生长温度如何影响PA-MBE外延生长的InAlN外延层中铟的掺杂量？
• RQ2 InN热分解在限制铟掺杂中的作用是什么？其活化能是多少？
• RQ3 入射铟束流如何影响可实现的InN摩尔分数与表面形貌？
• RQ4 由温度与束流定义的哪些生长区域可获得光滑、高质量的InAlN表面且缺陷最少？
• RQ5 能否构建一个预测性生长图谱，以指导InAlN合金的最优生长条件？

主要发现

• 随着生长温度升高，InAlN中铟掺杂量下降，主要由于InN热分解所致，[InN]*从450 °C时的0.33降至607 °C时的0.02。
• 确定InN分解的活化能为2.0 eV，与In-N键能（1.93 eV）及先前对InN的测量结果一致。
• 证实了InN损失速率符合阿伦尼乌斯行为，指前因子为1.27×10²⁷ s⁻¹·cm²。
• 识别出四种不同的生长区域：氮富集区、铟液滴区、中间富铟区以及铟掺杂可忽略区，其中中间富铟区表面最光滑（RMS < 0.8 nm）。
• 在中间富铟区观察到具有原子台阶与螺旋形丘状结构的光滑表面，表明其为类似GaN在镓富集条件下所呈现的位错钉扎层状生长机制。
• 出人意料的是，氮富集区也产生了光滑表面（RMS < 0.8 nm），与III族氮化物半导体中通常在氮富集条件下出现粗糙表面的现象相反。