"Juli/2018: Mechanismus der Spannungsrelaxation in Gruppe III-Nitrid filmen aufgedeckt"

Forscher der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie am IKZ haben die grundlegende Frage nach der Entstehung von Fehlpassungsversetzungen in verspannten c-orientierten Wurtzit-Schichten geklärt. Die neuen Erkenntnisse, welche im Journal of Applied Physics veröffentlicht wurden, werden insbesondere dazu beitragen, das Wachstum von AlGaN/GaN-Heterostrukturen für UV-Emitter zu optimieren. Somit können entweder Filme mit geringer Defektdichte realisiert werden oder, für den Zweck eines Verspannungsmanagements, die plastische Relaxation in solchen Strukturen gezielt herbeigeführt werden.

 

Die Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung befassten sich mit dem entscheidenden Schritt der Nukleation der Fehlpassungsversetzungen und untersuchten insbesondere den Einfluss verschiedener Wachstumsarten auf den Relaxationsprozess. Ihre Arbeit liefert erstmals ein zuverlässiges quantitatives Modell für den plastischen Relaxationsprozess von verspannten c-orientierten Wurtzitfilmen und erlaubt es, die kritische Dicke in Abhängigkeit von der tatsächlichen Oberflächenmorphologie genau vorherzusagen.

 

Ob man die Verspannung zwischen zwei Schichten mit Gitterfehlpassung relaxieren will oder pseudomorphe, defektfreie Heterostrukturen wachsen möchte, , in beiden Fällen ist es von zentraler Bedeutung zu verstehen, unter welchen Bedingungen und wie genau sich Fehlpassungsversetzungen im Material bilden. Bisherige quantitative Untersuchungen zur plastischen Relaxation in Wurtzitfilmen nahmen die klassischen Modelle aus kubischen Materialien (InGaAs auf GaAs, SiGe auf Si) auf. In diesen Arbeiten berücksichtigten die Autoren nur den Aspekt der Energiebilanz, d.h. den Moment, in dem die plastische Relaxation energetisch günstig wird, während der Nuklationsprozess der Fehlpassungsversetzungen selbst völlig vernachlässigt wurde. Bei Wurtzitmaterialien ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, diesen Schritt zu berücksichtigen, da die Möglichkeiten der Versetzungsausbreitung innerhalb des Wurtzitkristallgitters begrenzt sind. Als Ergebnis bestand seit vielen Jahren eine signifikante Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Beobachtungen der plastischen Relaxation in III-Nitrid-Dünnschichten.

 

Die aktuelle Studie kombiniert eine eingehende experimentelle Analyse der Versetzungsbildung in AlGaN/GaN-Heterostrukturen bei jedem Wachstumsschritt mittels Transmissionselektronen-mikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit theoretischen Berechnungen der Spannungsverteilung an den Versetzungsnukleationsstellen nach der Finite-Elemente-Methode.

 

 "Wir haben festgestellt, dass bei c-orientierten Wurtzitfilmen erst das Vorhandensein von dreidimensionalen Oberflächenstrukturen, wie etwa Kanten und Ecken von Inseln, Risse, Makrostufen oder V-Pits - sowie die hohe Konzentration der Scherspannung an diesen Stellen die Nukleation und Ausbreitung von Fehlpassungsversetzungen in der Grenzflächenebene ermöglicht. Dies eröffnet einen effizienten Pfad für plastische Relaxation." - sagt Dr. Toni Markurt, der Autor der Arbeit und Forscher am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung.


Laut den Autoren ist zudem die kritische Dicke der Filme stark von der Oberflächenmorphologie und der tatsächlichen Geometrie der Oberflächenstrukturen abhängig: So können beispielsweise zweidimensionale Schichten mit Rissen dicker gewachsen werden als Filme mit dreidimensionalen Inseln, bevor sie anfangen plastisch zu relaxieren.

 

Die Arbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit OSRAM Opto Semiconductors durchgeführt, die ebenfalls e spezielle Proben für die experimentelle Studie zur Verfügung gestellt haben.

 

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