2D AlN crystal phase formation on (0001) Al₂O₃ surface by ammonia MBE

Abstract

Kinetics of a two‐dimensional (2D) AlN layer formation on (0001) sapphire (Al2O3) surface during nitridation at different ammonia fluxes is investigated by reflection high energy electron diffraction (RHEED). The process on the surface is described in the framework of a chemical reactions kinetic model including interaction between partially reduced aluminum oxide species (AlO) and chemisorbed NH2 particles. The experimentally determined AlN formation rates as functions of both the temperature and the ammonia pressure are successfully described by a simple set of kinetic equations. Calculated maximum rate of the process well agrees with the experimental values. Precision measurement of 2D AlN lattice parameters during the nitridation process detects the value of 3.01 Å. This value coincides exactly with a characteristic structure parameter of the oxygen‐deficient Al2O3 surface. We assume this coincidence results from flexibility of the 2D AlN monolayer which provides minimization of elastic stresses at the AlN/(0001)Al2O3 interface. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)

Electron‐Stimulated Aluminum Nitride Crystalline Phase Formation on the Sapphire Surface

“…These techniques ensure the parameters compatibility of sapphire lattice and subsequent layers ( a Sap = 4.76 Å, CTE Sap = 7.0 × 10 −6 K −1 , a AlN/GaN = 3.11Å/3.18 Å, CTE AlN = 4.2 × 10 −6 K −1 ) . The sapphire nitridation process, as a mandatory initial stage in the III‐nitrides growth, consists in exposing the heated sapphire substrate to a flux of active nitrogen …”

Влияние степени нитридизации сапфира и обогащения алюминием зародышевого слоя на структурные свойства слоев AlN

“…Во время становления эпитаксиальных технологий была развита последовательность ростовых технологических операций, обеспечивающая согласование параметров решeток сапфира и последующих слоев AlGaN. В качестве обязательного начального этапа роста была определена нитридизация сапфира, которая заключается в экспонировании разогретой сапфировой подложки в потоке активного азота [4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14]. В ходе нитридизации на поверхности сапфира формируется слой AlN с элементарной ячейкой, развернутой на 30 • относительно элементарной ячейки сапфира.…”

“…Сначала процесс формирования AlN идeт с высокой скоростью, а затем замедляется, выходя на насыщение. При быстром формировании AlN на сапфире в процессе нитридизации ширина рефлекса AlN уменьшается [11,12], что может быть связано с увеличением латеральных размеров зародышей вновь образующейся фазы AlN. В дальнейшем происходит нитридизация нижележащих слоeв сапфира и скорость нитридизации замедляется из-за процесса диффузии активного азота в глубь сапфира сквозь вновь сформированный монослой AlN.…”

“…Авторы данной работы установили, что при NH 3 -МЛЭ время быстрой стадии нитридизации варьируется от 120 с до 60 мин при изменении температуры подложки от 500 до 1000 • С и давления аммиака в диапазоне от 12.5 до 400 норм. мл/мин [11,12]. В работе [5] исследован процесс нитридизации в установке ПА-МЛЭ при температуре подложки 400 • C, и оказалось, что процесс формирования сплошного слоя AlN происходит только через 300 мин после начала нитридизации [5].…”

“…Важно определить, на каком этапе процесса нитридизации можно начинать эпитаксиальный рост. Несмотря на то что условия нитридизации меняют скорость процесса, характер процесса не зависит от условий его проведения, поэтому существенной является степень завершeнности процесса [11,12]. Обычно исследователи ориентируются на время нитридизации.…”