Регистрация / Вход
Прислать материал

Дислокационные механизмы релаксации напряжений несоответствия в III-нитридных полупроводниковых гетероструктурах

Сведения об участнике
ФИО
Смирнов Андрей Михайлович
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Материалы для электроники
Тема
Дислокационные механизмы релаксации напряжений несоответствия в III-нитридных полупроводниковых гетероструктурах
Резюме
Настоящая работа направлена на создание теоретических моделей релаксации напряжений несоответствия в III-нитридных полуполярных гетероструктурах за счет зарождения дислокаций несоответствия путем призматического скольжения. Проведено сравнение критических условий зарождения дислокаций несоответствия путем базисного и призматического скольжения, а также выявлены наиболее устойчивые к образованию дефектов ориентации плоскостей роста гетероструктур. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных данных.
Ключевые слова
Дислокации несоответствия, III-нитридные гетероструктуры, анизатропная теория упругости.
Цели и задачи
Целью проекта является: создание теоретических моделей на основе анизотропной теории упругости, описывающих релаксацию напряжений несоответствия путем зарождения дислокаций несоответствия (ДН) в результате призматического скольжения (ДНПС) в III-нитридных полуполярных гетероструктурах. Изучение и сравнение критических условий образования ДН в гетероструктурах с разными полуполярными направлениями роста. Сравнение и анализ двух способов релаксации напряжений несоответствия: образование ДН в результате базисного (ДНБС) и призматического скольжения. Определение предпочтительности и возможной взаимосвязи между этими способами релаксации напряжений несоответствия.
Введение

В последние годы значительный интерес вызывают гетероструктуры лазеров и светодиодов видимого спектра на основе III-нитридных кристаллов с решеткой типа вюрцит, которые выращиваются на полуполярных плоскостях [1]. При росте нитридных гетероструктур в полярном направление в квантовых ямах возникает эффект Штарка, в результате чего падает скорость излучательной рекомбинации носителей заряда, а спектр электролюминесценции сдвигается в коротковолновую или длинноволновую область [2]. Полуполярные плоскости роста позволяют уменьшить скорость падения внешней квантовой эффективности в зависимости от накачки [3], увеличить поглощение In при росте III-нитридных гетероструктур [4], уменьшить напряженность внутреннего электрического поля

Методы и материалы

Используемые методы исследования: аналитический расчет, расчет с помощью вычислительных пакетов (MatLab, Wolfram Mathematica), анизотропная теория упругости.

Описание и обсуждение результатов

В настоящей работе предложена теоретическая модель на основе энергетического подхода и анизотропной теории упругости, описывающая релаксации напряжений несоответствия путем зарождения ДНПС в III-нитридных гетероструктурах.

Рисунок 1 - Сравнение зависимостей критической толщины hc образования ДН от содержания Al x в гетероструктурах AlxGa1-xN/GaN с экспериментальными данными

На рис. 1 показаны расчитанные зависимости критической толщины hc от показателя состава x в гетероструктурах AlxGa1-xN/GaN для трех особых ориентаций плоскостей роста: полуполярных (20-21) и (30-31), и неполярной m-плоскости. В то время как кривые критической толщины образования ДНБС для этих трех ориентаций четко отделены друг от друга, кривые критической толщины образования ДНПС сливаются друг с другом. В целом, теория предсказывает, что образование ДНПС энергетически выгоднее образования ДНБС в тех гетероструктурах, в которых угол наклона ϑ плоскостей роста близок к неполярной кристаллографической ориентации.

Экспериментальные данные представлены на рис. 1 различными символами (см. вставку на рис. 1). Каждая точка на рис. 1 соответствует отдельной, частично релаксированной пленке AlxGa1-xN со своей толщиной и показателем состава x, выращенной на массивной подложке GaN. На рис. 1 представлены данные, полученные для четырех серий измерения толщин [5]. В первую серию входили пленки Al0.07Ga0.93N/GaN с плоскостью роста  толщиной  35, 130, 260 и 390 нм.  Вторая и третья серии представлены пленками Al0.13Ga0.87N/GaN с плоскостями роста  и m толщиной  23, 46, 110, 180 и 360 нм. Четвертая – пленками Al0.3Ga0.7N/GaN с плоскостью роста  толщиной 35, 100 и 200 нм.  На рис. 1 отмечены только те образцы, которые релаксировали за счет базисного или призматического скольжения. Из этих данных следует, что призматическое скольжение происходит при больших сверхкритических толщинах, чем базисное.

Как видно из рис. 1, все экспериментальные точки лежат выше соответствующих теоретических кривых. Это означает, что приближение Мэттьюза-Блексли позволяет определить нижнюю границу образования ДН при гетероэпитаксии. Имеющиеся экспериментальные данные говорят о том, что ДНБС образуются раньше (при меньшей толщине растущего слоя), чем ДНПС в гетероструктурах с плоскостями роста (20-21) и (30-31). Это противоречит выводам, которые следуют из теоретических расчетов. Такое противоречие можно объяснить тем, что теоретическая модель не учитывает существование барьера Пайерлса, который оказывает определяющее воздействие на движение дислокаций в III-нитридных полупроводниках [6]. 

Таким образом, рассчитана критическая толщина образования ДНПС в полуполярных и неполярных слоях III-нитридов. Показана возможность двухосной релаксации напряжений несоответствия для некоторых ориентаций полуполярного роста III-нитридных гетероструктур.

Используемые источники
1. M. Kneissl, T. Wernicke, “Optical and structural properties of InGaN light emitters on non- and semipolar GaN” in III-Nitride Semiconductors and Their Modern Devices, Bernard Gil (Ed), Oxford University Press (2013).
2. A.E. Romanov, J. Appl. Phys. 100 (2006) 023522.
3. D.F. Feezell, J. Display Technology 9 (2013) 190.
4. Y. Zhao, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 201108.
5. A.M. Smirnov, APL Mater. 4 (2016) 016105.
6. B. Jahnen, MRS Internet Journal of Nitride Semiconductors 3 (1998) 39.
Information about the project
Surname Name
Smirnov Andrei
Project title
Dislocation mechanisms of misfit stress relaxation in the III-nitride semiconductor heterostructures
Summary of the project
We calculate the critical thickness for misfit dislocation (MD) formation in lattice mismatched semipolar and nonpolar III-nitride wurtzite semiconductor layers for the case of MDs originated from prismatic slip (PSMDs). It has been shown that there is a switch of stress relaxation modes from generation of basal slip originated MDs to PSMDs after the angle between c-axis in wurtzite crystal structure and the direction of semipolar growth reaches a particular value. This means that for some semipolar growth orientations of III-nitride heterostructures biaxial relaxation of misfit stress can be realized. The results of modeling are compared to experimental data on the onset of plastic relaxation in AlGaN/GaN heterostructures.
Keywords
Misfit dislocation, III-nitride heterostructure, anisotropic theory of elasticity