Selektives Wachstum kubischer Gruppe III-Nitride auf nanostrukturierten 3C-SiC (001) Substraten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes konnte erstmals selektives Wachstum von kubischen GaN Epitaxieschichten auf mit SiO2 maskierten 3C-SiC (001) Substraten gezeigt werden. Im Vergleich zu den Standardwachstumsbedingungen bei ca. 730°C musste für die Selektivität die Wachstumstemperatur auf ca. 930°C erhöht werden. Trotz dieser erhöhten Substrattemperatur gelang es phasenreines kubisches GaN mit verbesserter Oberflächenrauigkeit herzustellen. Aufgrund der Geometrie unserer MBE Anlage und der Anordnung der Effusionszellen kommt es beim Überwachen der Maskenstruktur zu Schattenbildung, die das Aspektverhältnis (Loch Tiefe/Breite Verhältnis) auf kleiner als 2 begrenzen. Für effektives Aspect ratio trapping (ART) ist jedoch ein Tiefe zu Breite Verhältnis von größer als 1 notwendig, weshalb die SiO2 Maskendicke entsprechend dem Lochdurchmesser gewählt werden muss. Siliziumdioxid (SiO2) wurde als Wachstumsmaske eingesetzt, um eine Nukleation von c-GaN auf bedeckten Oberflächen zu verhindern. Plasmabeschiedenes und thermisches Siliziumdioxid wurden eingesetzt und mittels Nanokugel- Lithografie (NSL), Block-Co-polymer-Lithografie (BCP) und Elektronenstrahl-Lithografie (EBL) strukturiert. NSL und BCP wurden verwendet, um Loch-Arrays mit 130 nm und 17 nm Öffnungsdurchmesser zu erzeugen. EBL wurde für das Strukturieren von U- und V-förmigen Gräben eingesetzt. Die Strukturen wurden in SiO2 mittels Reaktivem Ionen-Ätzen übertragen. 3C-SiC und SiO2 wurden mittels SF6 und CHF3/Ar Plasmen geätzt. An sämtlichen Strukturen konnte selektives Wachstum von kubischen GaN nachgewiesen und selektive Nukleation auf Nanoskalen von 17 nm und 100 nm an <001> und <111> Flächen von 3C-SiC demonstrieren werden. Der hexagonale Anteil von GaN wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und hochauflösender Röntgendiffraktometrie (HRXRD) bestätigt. Bei einem Schachbrettmuster, mit Öffnungen von 3 mm, wurden hexagonale Phasenanteile unter 1 % erreicht. An V-förmigen Gräben, die <111> Flächen entlang [110] in 3C-SiC freilegen, wurde ein hexagonaler Phasenanteil von 17,6 % gemessen. Für alle Strukturen wurde phasenreine Nukleation durch TEM-Bildgebung gezeigt. Untersuchungen an V-förmigen Gräben zeigten auch den Einfluss von Antiphasendomänen (APD) und den Einfluss von orthogonal zueinanderstehenden V-Gräben in verkippten Substraten. Ursache für das unterschiedliche Wachstum in den orthogonalen Richtungen dürfte die unterschiedliche Polarität der (111) Facetten sein. An Block-Co-Polymer (BCP) Lithographie strukturierten Löchern konnte nach selektivem Wachstum von c-GaN in den 17 nm dicken Löchern auch Koaleszenz mit dominant kubischer Phase nachgewiesen werden. Dabei wurde nach Koaleszenz der geringste hexagonale Anteil von 29% mit Röntgendiffraktometrie gemessen (einschließlich der Randbereiche mit parasitären hexagonalen Einschlüssen). Als kritisch erwies sich die Rauigkeit der mit RIE geätzten Seitenrändern der SiO2 Masken, da die Rauigkeit der Oxidwand zur Neubildung von Stapelfehlern an der Wand führt und auf diese Weise den ART Filterungseffekt verhindert. Eine zusätzliche Optimierung der Maskenstruktur und eine nasschemische Nachbehandlung sollte zu einer Verbesserung der Rauigkeit der Ätzflanken führen und damit ART ermöglichen. Die Wachstumsbedingung bei so hohen Temperaturen müssten jedoch noch im Detail studiert und auch für jede Struktur optimiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Microscopic investigation of selective-area MBE of cubic GaN in defect-trappingmask nanoholes on 3C-SiC/Si (001)", Poster presentation, MS2.P011, MC 2021, August, Wien, Austria
Thomas Riedl1, Julius Bürger, Falco Meier, D. J. As & J. K. Lindner
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Selective area growth of cubic gallium nitride on 3C-silicon carbide (001)", Poster presentation, P11, DEMBE2021, October, Göttingen, Germany.
Falco Meier, Dirk Reuter & Donat Josef As
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Selective area growth of cubic gallium nitride on silicon (001) and 3C-silicon carbide (001). AIP Advances, 11(7).
Meier, F.; Protte, M.; Baron, E.; Feneberg, M.; Goldhahn, R.; Reuter, D. & As, D. J.
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"Selective Area Growth of cubic Gallium Nitride in nanoscopic Silicon Dioxide masks", Poster presentation, PP 079, IWN 2022,October, Berlin, Germany
Falco Meier, Julius Bürger, Thomas Riedl, Daniel Kool, Jörg K.N. Lindner, Dirk Reuter & Donat Josef As
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Selective Area Growth of Cubic Gallium Nitride in Nanoscopic Silicon Dioxide Masks. physica status solidi (b), 260(8).
Meier, Falco; Littmann, Mario; Bürger, Julius; Riedl, Thomas; Kool, Daniel; Lindner, Jörg; Reuter, Dirk & As, Donat Josef
