Domain matching epitaxy of GaN films on a novel langasite substrate: an in-plane epitaxial relationship analysis

Abstract

We report the epitaxial growth of c-plane GaN films on a novel langasite IJLa 3 Ga 5 SiO 14 , LGS) substrate by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The in-plane epitaxial relationship and the structural properties of GaN films on an LGS substrate were investigated using in situ reflective high energy electron diffraction (RHEED), high resolution X-ray diffraction (HR-XRD) and Raman spectroscopy. The in-plane epitaxial relationship between GaN and LGS determined using RHEED pattern was found to be GaNij1010]//LGSij2130]and GaNij1120]//LGSij1450]. HR-XRD results confirmed the exact epitaxial relationship, and showed that six reflection peaks of GaNIJ1012) were shifted around 19°from those of LGSIJ1012). Raman analysis revealed that a minute compressive strain still existed in the GaN film due to the very small lattice mismatch between GaN and LGS. The results obtained in this study demonstrate that the nearly lattice-matched LGS can be a promising and futuristic substrate material for the growth of GaN, and it is foreseen that our results could be a reference for the further development of high performance nitride-based devices.

Epitaxial growth of GaN films on lattice-matched ScAlMgO4substrates

“…In this case, we can obtain the epitaxial relationship of GaNIJ10−12)//SCAMIJ10−19), which confirms the in-plane epitaxial relationship of GaNij10−10]//SCAMij10−10]. 21,22 Apparently, the φ scan for GaNIJ10−12) and SCAMIJ10−19) is also studied, as shown in Fig. 2c, from which six fold rotational peaks with 60°interval both for GaNIJ10−12) and SCAMIJ10−19) can be clearly identified.…”

A Laterally Overgrown GaN Thin Film Epitaxially Separated from but Physically Attached to an SiO2-Patterned Sapphire Substrate

“…The shift of the GaN E 2 (high) peak in Raman spectra can be used to estimate the biaxial stress as σ = Δω/ K γ where Δω is the E 2 (high) peak shift with respect to the strain-free GaN E 2 (high) peak and K γ = 4.2 cm –1 GPa –1 . For example, the E 2 (high) peak position of a 660-nm-thick molecular-beam-epitaxy-grown GaN film on a sapphire substrate with an AlN buffer layer was 570.9 cm –1 , and that of 1-μm-thick metal–organic-chemical-vapor-deposition-grown GaN film with a buffer layer on a sapphire substrate was 569.68 cm –1 . On the other hand, it was previously reported that the E 2 (high) peak was observed at 569.6 cm –1 and 568.7 cm –1 for 5-μm-thick and 25-μm-thick HVPE-grown GaN on GaN­(5-μm-thick)/sapphire template .…”

Эпитаксиальные слои GaN на подложках лангасита, полученные методом МПЭ с плазменной активацией азота

“…Как было отмечено выше, особенностью лангасита La 3 Ga 5 SiO 14 , осложняющей использование его в качестве подложки для эпитаксии нитридов, является его химическая нестойкость, выражающаяся в сильной диффузии элементов, составляющих лангасит (в частности, кислорода), в растущую пленку. Наряду с различием в параметрах решеток GaN и лангасита, этот факт вынуждает для подавления диффузионных процессов проводить начальные этапы роста пленки GaN при низкой температуре [10,11] [12]. Состав слоев, распределение основных элементов и примесей по толщине структур исследовались с помощью вторичной ионной массспектрометрии (ВИМС) на установке TOF.SIMS 5.…”

“…Это делает метод МПЭ ПА перспективным для эпитаксии нитридов на подложках из лангасита. Тем не менее существующие проблемы, в частности, существенная диффузия кислорода и галлия из объема лангасита к его поверхности уже при низких температурах, привели к тому, что только в последнее время появились единичные работы, в которых методом МПЭ ПА были получены эпитаксиальные пленки GaN на подложках из лангасита [10,11]. Цель настоящей работы заключается в поиске режимов роста для получения на подложках из лангасита эпитаксиальных пленок GaN хорошего кристаллического качества с малой шероховатостью поверхности.…”

“…2). Данное значение сравнимо с лучшими результатами для GaN/LGS структур (∼ 4 • 10 10 см −2 ), полученными в работе[10]. Понижение температуры роста зародышевого слоя ниже 500 • C приводило к резкой деградации кристаллического качества GaN/LGS слоев…”