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MOVPE growth of InN and InGaN with different surface orientations
Dinh, van Duc
Diese Arbeit beschreibt das MOVPE Wachstum und die Charakterisierung von InN Schichten mit polaren und semipolaren Oberflächenorientierungen. Zwei Aspekte des Wachstums werden dabei eingehender betrachtet: (1) das Verständnis des Wachstumsprozesses, sowie die Kontrolle der Polarität und Oberflächenorientierung; und (2) die Charakterisierung der epitaktischen Schichten mit verschiedenen Oberflächenorientierungen. Sowohl für, epitaktisch auf Saphir abgeschiedenes, InN als auch für InxGa1-xN (0 < x < 1) wurde der Nitridierungsprozess von Saphir in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur untersucht. Dabei erwies sich die Nitridation als wichtiger Faktor um nicht nur die Polarität (entweder (0001) oder (000-1)) festzulegen, sondern auch um die Kristallinität und Oberflächenmorphologie zu verbessern. So verbessert die Nitridation bei Temperaturen über 800°C sowohl die Oberflächenmorphologie als auch die Kristallinität. Gleichzeitig erzeugt die Nitridation eine N-polare Oberflächenorientierung bei InN und InGaN Schichte, die auf (0001) Saphir abgeschieden wurden. Stickstoffpolare (0001) InN Schichten von guter Qualität wurde bei 560°C abgeschieden, nachdem bei 1050°C für zwei Minuten nitridiert wurden. N-polar (0001) InN Schichten, die auf nitridiertem Saphir und In-polare InN Schichten, die auf GaN/Saphir Templates bei 520°C - 560°C abgeschieden wurden zeigen deutlich unterschiedliche Schichtqualitäten. N-polare InN Schichten haben eine bessere Kristallinität und glattere Oberflächen als In-polare InN Schichten. In-polare InN Schichten zeigen hingegen dreidimensionalem Wachstum. Semipolare InN Schichten mit (10-1-3) beziehungsweise (11-22) Orientierung wurden auf nitridiertem m-orientierten (1-100) Saphir und auf (11-22) GaN Templates abgeschieden. Semipolare InN Schichten besitzen eine anisotrope Kristallinität und Morphologie, sowie anisotrope strukturelle Eigenschaften. Diese sind typisch für die jeweiligen Wachstumsorientierten und die anisotrope Diffusionen der Adatom. Auf (10-1-3) InN Schichten findet man dreidimensionale Inseln, während (11-22) InN Schichten eine planare Oberflächenmorphologie haben. Basierend auf den Wachstumsparametern von InN Schichten wurden (0001) InGaN Schichten im gesamten Zusammensetzungsbereich auf (0001) Saphir Substraten abgeschieden. Diesen Substraten wurden zuvor für zwei Minuten bei 1050°C Nitridierung. Durch die Variation der Partialdrücke der Precursor und durch Kontrolle der Wachstumstemperatur (600°C - 750°C) konnte der Indiumanteil in InGaN Schichten genau festgelegt werden. Diese InGaN Schichten haben eine verhältnismäßig glatte Oberflächenmorphologie, neigen aber dennoch zu dreidimensionalem Wachstum.
The presented work describes MOVPE growth and properties of InN layers with polar and semipolar surface orientations. The work focuses on two aspects of the growth: (1) the understanding the growth processes, the control polarity and orientations, and (2) the properties of the layers with different surface orientations. Sapphire nitridation process (varied time and temperature) was studied for InN and InxGa1-xN epitaxy grown directly on sapphire. The nitridation was critical to control polarity (i.e., (0001) polarity or (000-1) polarity) and improve crystallinity and surface morphology. Sapphire nitridation at higher temperatures (>=800°C) not only enhances the crystallinity and surface morphology, but also produces an N-polar orientation of InN and InGaN layers on c-plane sapphire. N-polar c-plane InN layers on c-plane sapphire was grown at 560°C after sapphire nitridation at 1050°C for 2 min with good quality. Polar c-plane (0001)\,InN layers with different polarities grown on c-plane sapphire (N-polar InN) and on c-plane GaN/sapphire templates (In-polar InN) showed different trends of layer quality with respect to growth temperature (520-560°C). N-polar InN layers showed a better crystallinity and smoother surface than In-polar InN layers at higher growth temperatures due to a two-dimensional (2D) growth mode, while In-polar InN layers exhibit a 3D growth mode. Semipolar InN layers with (10-1-3) and (11-22) orientations were grown directly on nitridated m-plane (1-100) sapphire and on (11-22) GaN templates, respectively. Semipolar InN layers showed an anisotropic crystallinity and morphology, as well as anisotropic structural properties due to the typical growth orientations and the anisotropic adatom diffusion. (10-1-3) InN layers showed 3D structures consisting of islands, while (11-22) InN layers showed a planar surface morphology. Finally, based on the growth parameters of InN, c-plane InxGa1-xN layers with the entire range of In-content were grown directly on c-plane sapphire substrates nitridated at 1050°C for 2 min. The In-content of InxGa1-xN was precisely controlled by varying gas ratio or by varying growth temperature (600 - 750°C). InxGa1-xN layers showed a relative smooth morphology but were still due to the 3D growth mode.
