Tesis:
Growth and characterization of GaN/AlN non-polar pseudo-substrates
- Autor: FERNANDO SAAVEDRA, Amalia Luisa
- Título: Growth and characterization of GaN/AlN non-polar pseudo-substrates
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/67078/
- Director/a 1º: CALLEJA PARDO, Enrique
- Resumen: El principal objetivo de este trabajo es la fabricación de pseudo-sustratos no polares de AlN/GaN crecidos por epitaxia de haces moleculares asistida por plasma. A partir de matrices ordenadas de nanocolumnas no polares, el proceso controlado de coalescencia produce una capa compacta. En la primera parte se estudia el crecimiento de nanocolumnas polares de GaN libres de defectos y de alta calidad, mediante un proceso de dos pasos que implica un ataque seco para obtener nanopilares ordenados de GaN y un posterior recrecimiento de GaN hasta la coalescencia de los nanocristales. La forma de tronco de cono de los nanopilares y la elevada temperatura de crecimiento, coadyuvan al filtrado parcial de las dislocaciones presentes en los nanopilares (como parte del substrato), que da como resultado un material libre de tensiones y defectos. El mismo proceso se ha usado para orientaciones semi-polares y no-polares confirmándose en ambos casos una alta calidad cristalina de las estructuras resultantes, aunque la densidad de fallos de apilamiento es mucho más elevada que en el caso polar. La siguiente sección presenta el crecimiento de capas buffer no-polares (plano-m) GaN sobre sustratos de γ-LiAlO2 (100), determinándose las condiciones óptimas de crecimiento y de limpieza del substrato. Se observa que la presencia de zanjas, en las que crece material parásito de plano-c, libera la tensión del buffer, mientras que cuando solo existe material de plano-m se conserva la tensión biaxial compresiva. Además, se estudia la posible transformación del fallo de apilamiento tipo I2 en tipo I1 durante procesos de recocidos térmicos. Sobre los buffer de GaN se definen matrices ordenadas de nanopilares mediante ataque seco y a continuación se recrecen nanocristales de GaN hasta su coalescencia. La coalescencia es homogénea cuando la matriz de nanopilares es cuadrada y alineada con las direcciones c y a, produciéndose en primer lugar a lo largo de la dirección c (crecimiento preferencial) en forma de franjas y a continuación a lo largo de la dirección a. Las capas de GaN resultantes revelan una mejora significativa de calidad con respecto al buffer. Los fallos de apilamiento presentes en los nanopilares se filtran parcialmente a lo largo de la dirección vertical y apenas se observan en el material recrecido entre ellos. También se observa un filtrado eficiente de dislocaciones dependiendo del ángulo de las paredes laterales de los nanopilares. Finalmente, se fabricaron capas de AlN de plano a- y m- utilizando el mismo proceso anterior, pero evitando la coalescencia de los nanocristales de GaN antes de recrecer el AlN, evitando la generación de tensiones mecánicas. La principal diferencia entre ambas orientaciones es la morfología de superficie resultante: en forma de diente de sierra para el plano a y básicamente plana para el plano m. La capa de AlN resultante tiene una elevada densidad de fallos de apilamiento, pero las imágenes SEM de la superficie no revelan prácticamente dislocaciones, siendo la disminución sustancial de las mismas uno de los objetivos del trabajo. ----------ABSTRACT---------- The objective of this work is the fabrication of AlN/GaN non-polar pseudo-substrates grown by plasma assisted molecular beam epitaxy. Ordered arrays of nanocolumns grown on non-polar GaN templates yield a continuous film by controlled coalescence. The first part reports on the growth of high-quality, defect-free polar GaN nanocolumns fabricated by a two-step process which involves a top-down etching to obtain etched nanopillars and a subsequent overgrowth by plasma assisted molecular beam epitaxy. It is shown that the truncated cone shape of the etched nanopillars, together with a high growth temperature, enhances the filtering process of the threading dislocations existing within the template (and thus, within the nanopillars), resulting in strain-free and defect-free material. The same two-step process is used for GaN semi-polar and non-polar orientations confirming, in both cases, a high quality of the resulting structures, though the density of stacking faults is more pronounced than in the polar case. The next section refers to the growth of pure m-phase GaN buffers on γ-LiAlO2 (100) templates under optimal growth conditions and template cleaning process. The presence of trenches, in which parasitic c-plane material grows, can induce the strain relief in the buffers, while pure phase m-plane films remain under compressive biaxial strain. A side effect, quite interesting, is the probable transformation of I2 into I1 stacking faults upon GaN buffer annealing. After nanopillars etching on the m-plane GaN buffers, GaN overgrowth continues until a film develops upon nanocrystals coalescence. A homogeneous coalescence occurs when nanopillar arrays with square alignment (to c-and a-directions) are used. Nanocrystals first coalesce along the [0001] direction (preferential growth) as stripes, then, along non-polar a-direction. There is a strong quality improvement of the GaN coalesced film versus the buffer. The high density of stacking faults in the nanopillars is partially reduced above them and barely observed in the film areas between them. In addition, a dislocation efficient filtering effect is observed depending on the angle of the nanopillars sidewalls. Finally, a-plane and m-plane AlN films were grown following the previous process but starting the AlN growth before GaN nanocrystals coalescence occurs, as a way to avoid strain build-up within the AlN film. Results show that the main difference between both orientations is the surface morphology: a saw-tooth one for a-plane and a rather flat one for m-plane. The AlN films have a high density of stacking faults, but they are practically free of dislocations, being this reduction one of the objectives of this work.