Предисловие редактора перевода 11
Введение 12
Предисловие 17
Часть I. Рынок объемных кристаллов GaN 18
Глава 1. Развитие рынка подложек из объемного GaN 18
Эндрю Д. Хэнсер и Кейт Р. Эванс (Andrew D. Hanser, Keith R. Evans)
1.1.
Вводная часть 18
1.2.
Движители рынка III-N-приборов и прогнозирование 19
1.2.1.
Генерация света и твердотельное освещение
на основе материалов группы III-N 19
1.2.2.
Электрические системы и электроника высокой мощности
на материалах группы III-N 21
1.2.3.
Позиционирование GaN-подложек на рынках электроники
высокой мощности SSL-приборов 24
1.2.4.
Ключевые факторы успешной коммерциализации подложек
из объемного GaN 26
1.3.
Преимущества и значимость подложек из объемного GaN 29
1.3.1.
Эксплуатационные характеристики прибора 30
1.3.2.
Теплопроводность 36
1.3.3.
Возникновение отказов в приборах за счет термовозбуждения 37
1.3.4.
Себестоимость прибора 38
1.4.
Тенденции развития GaN-приборов на подложках из объемного GaN 40
1.4.1.
Лазеры и светодиоды 40
1.4.2.
Переключатели питания 41
1.4.3.
ВЧ-транзисторы с высокой подвижностью электронов
(HEMT-транзисторы) 42
1.5.
Тенденции развития подложек из объемного GaN 43
1.5.1.
Хлорид-гидридная эпитаксия из паровой фазы (HVPE) 43
1.5.2.
Аммонотермальное выращивание 44
1.5.3.
Выращивание из раствора 45
1.5.4.
Комбинированные методы выращивания 45
1.6.
Заключение 46
Литература 47
Часть II. Технология выращивания из паровой фазы 51
Глава 2. Хлорид-гидридная эпитаксия GaN из паровой фазы 51
Акинори Коукиту и Йошинао Кумагаи (англ. Akinori Koukitu, Yoshinao Kumagai)
2.1.
Введение 51
2.2.
Термодинамический анализ HVPE-выращивания GaN 53
2.2.1.
Методика расчета 53
2.2.2.
Равновесное парциальное давление и главная движущая
сила осаждения GaN 55
2.3.
Эпитаксиальное выращивание кубического GaN
на подложке из GaAs (100) [5, 18] 58
2.3.1.
Экспериментальные данные 59
2.3.2.
Выращивание кубического GaN 60
2.4.
Сравнительные характеристики процессов выращивания GaN
на подложках (111)A и (111)B [7, 31] 62
2.4.1.
Экспериментальная часть 63
2.4.2.
Сравнение процессов наращивания GaN на поверхностях
арсенида галлия (111)A и (111)B. 64
2.5.
Начальный расчет процессов выращивания GaN
на поверхностях (111)A и (111)B арсенида галлия 67
2.5.1.
Методика расчета 67
2.5.2.
Начальные процессы выращивания GaN
на поверхностях (111)A и (111)B GaAs 68
2.6.
Выращивание толстого слоя GaN на поверхности
(111)A подложки из GaAs [48, 49] 71
2.6.1.
Экспериментальная часть 71
2.6.2.
Выращивание толстого слоя GaN на поверхности (111)A GaAs 72
2.7.
Приготовление полуизолирующих GaN-подложек, легированных Fe [50, 51] 77
2.7.1.
Экспериментальная часть 78
2.7.2.
Выращенный на подложках из сапфира и GaAs легированный Fe слой GaN 78
Литература 82
Глава 3. Выращивание объемных кристаллов GaN с помощью эпитаксии
из гидридной паровой фазы на затравках монокристаллического GaN 85
Б. Лучник, Б. Патужка, Г. Камлер, И. Гжегори и C. Поровски
(англ. Lucznik, B. Patuszka, G. Kamler, I. Grzegory и S. Поровски)
3.1.
Введение 85
3.2.
Экспериментальная часть 86
3.2.1.
Затравочные кристаллы 86
3.2.2.
HVPE-реактор и условия выращивания 88
3.2.3.
Исследование характеристик 89
3.3.
Экспериментальные данные 89
3.3.1.
Выращивание кристаллов на кристаллических, пластинчатых
затравках малого размера, почти не имеющих дислокаций 89
3.3.2.
Выращивание кристаллов на мелких иглоподобных затравках,
характеризующихся практически полным отсутствием дислокаций 96
3.3.3.
Выращивание кристаллов на больших GaN-подложках
с ориентацией (00001) 100
3.4.
Выводы 104
Слова благодарности 105
Литература 105
Глава 4. Изготовление отдельных GaN-пластин на основе эпитаксии
из гидридной паровой фазы и с использованием метода отслоения
по линии пустот на интерфейсе 107
Й. Ошима, Т. Йошида, Т. Эри, К. Ватанабе, М. Шибата, Т. Мишима
(англ. Y. Oshima, T. Yoshida, T. Eri, K. Watanabe, M. Shibata, T. Mishima)
4.1.
Введение 107
4.2.
Метод HVPE-VAS в общих чертах 108
4.2.1.
Концепция метода HVPE-VAS 108
4.2.2.
Описание процесса 109
4.3.
Приготовление GaN-шаблона темплейта
(или темплита, или квазиподложки) с пористой TiN-пленкой 110
4.3.1.
Экспериментальная часть 110
4.3.2.
Результаты 110
4.3.3.
Механизмы формирования пористой структуры 111
4.3.3.1.
Формирование наносетчатой структуры
путем термической агломерации 111
4.3.3.2.
Формирование пустот в шаблонном слое GaN 112
4.4.
HVPE-выращивание на шаблонах из GaN с пористой TiN-пленкой 112
4.4.1.
Process of HVPE Growth and Separation 112
4.4.1.1.
HVPE-реактор и исходные материалы 112
4.4.1.2.
Процесс HVPE-выращивания на шаблоне из GaN c наносетчатой
пленкой и отделения подложки 113
4.4.2.
Механизмы роста и отслоения 114
4.4.2.1.
Отделение базовой подложки 114
4.4.2.2.
Механизмы формирования верхних пустот 115
4.5.
Свойства GaN-пластин, изготовленных с помощью технологии HVPE-VAS 116
4.5.1.
Структурные свойства 116
4.5.2.
Электрические свойства [17, 18] 119
4.5.3.
Тепловые свойства 120
4.5.3.1.
Теплопроводность [17, 18, 29] 120
4.5.3.2.
Коэффициент теплового расширения [18, 26] 122
4.6.
Заключение 123
Литература 125
Глава 5. Выращивание полярных и неполярных кристаллов GaN
помощью метода HVPE 127
Пол Т. Фини и Бенджамин А. Хаскелл (англ. Paul Fini, Benjamin A. Haskell)
5.1.
Введение 127
5.2.
Гетероэпитаксиальные пленки, включая выбор подложки 129
5.2.1.
Планарные GaN-пленки с ориентацией в а-плоскости 129
5.2.2.
Планарные GaN-пленки c ориентацией в m-плоскости 134
5.2.3.
Планарные, полуполярные GaN-пленки 136
5.3.
Горизонтальное эпитаксиальное наращивание неполярного,
полуполярного GaN 142
5.3.1.
Горизонтальное наращивание GaN с а-ориентацией 142
5.3.2.
Горизонтальное наращивание GaN m-ориентации 147
5.3.3.
Поперечное (горизонтальное) наращивание (LEO)
полуполярного GaN 149
5.4.
Выводы и перспективы развития 151
Литература 152
Глава 6. Высокоскоростной эпитаксиальный метод выращивания с помощью осаждения
металлорганических соединений из газовой фазы (MOVPE) 154
Матсумото, Х. Токунага, А. Убуката, К. Икенага, Й. Фукуда, Й. Йано, Т. Табучи,
Китамура, С. Косеки, А. Ямагучи и К. Уематсу
англ. K. Matsumoto, H. Tokunaga, A. Ubukata, K. Ikenaga, Y. Fukuda, Y. Yano, T. Tabuchi,
Kitamura, S. Koseki, A. Yamaguchi и K. Uematsu)
6.1.
Введение 155
6.2.
Характеристики роста AlGaN и GaN при использовании метода MOVPE 156
6.3.
Квантово-химический анализ реакции в паровой фазе 159
6.4.
Быстрое выращивание GaN с помощью высокопроизводительного реактора 163
6.5.
Анализ и резюме 167
Литература 169
Часть 3. Технология выращивания из раствора 171
Глава 7. Аммонотермальное выращивание GaN в аммоноосновном режиме 171
Р. Дорадзински, Р. Двилински, Д. Гарчински, Л. П. Сиржпутовски и Й. Канбара
(англ. R. Doradzinski, R. Dwilinski, J. Garczynski, L. P. Sierzputowski)
7.1.
Введение 172
7.2.
Метод выращивания 173
7.2.1.
Физико-химические основы 174
7.2.2.
Измерения растворяемости 177
7.2.3.
Оборудование 178
7.2.4.
Рекристаллизация с использованием затравки 179
7.2.5.
Легирование 180
7.2.6.
Механическая обработка кристаллов 180
7.3.
Характеристики кристалла 182
7.3.1.
Структурные свойства 182
7.3.2.
Оптические свойства 187
7.3.
Электрические свойства 188
7.4.
Гомоэпитаксия на аммонотермальном GaN 189
7.5.
Вывод 195
Литература 196
Глава 8. Пути реализации аммонотермального метода выращивания объемного GaN 199
Тадао Хасимото и Шуджи Накамура (англ. Tadao Hashimoto, Shuju Nakamura)
8.1.
Вступление 199
8.2.
Влияние использования минерализатора на аммонотермальный синтез GaN 201
8.3.
Растворяемость GaN в аммоноосновных растворах 206
8.4.
Выращивание GaN на затравках с использованием
металлического Ga в качестве питательного элемента 212
8.5.
Метод выращивания GaN, где в качестве затравки используется
поликристаллический GaN-нутриент 217
8.6.
Выращивание кристаллов объемного GaN и резка на пластины 221
8.7.
Заключение 223
Литература 224
Глава 9. Технология кислотно- аммонотермального выращивания GaN 226
Дирк Эрентраут и Юджи Кагамитани (англ. Ehrentraut, Yuji Kagamitani)
9.1.
Введение 226
9.2.
Краткая история аммонотермального метода выращивания GaN 229
9.3.
Технология выращивания 230
9.4.
Химический состав раствора и механизм роста 232
9.4.1.
Растворимость 232
9.4.2.
Скорость выращивания и состав раствора 234
9.4.3.
Степень воздействия кислотности на образование GaN 238
9.5.
Свойства аммонотермального GaN 240
9.6.
Перспективы развития технологии аммонотермального GaN 246
Литература 248
Часть IV. Технология выращивания из расплава 251
Глава 10. Выращивание нитрида галлия из раствора под высоким давлением 251
Михал Боковски, Павел Страк, Изабелла Гжегори и Сильвестр Поровски
10.1.
Вступление 251
10.2.
Метод выращивания 253
10.2.1.
Термодинамические и кинетические аспекты выращивания
под высоким давлением 254
10.2.2.
Экспериментальная часть 256
10.3.
Спонтанная кристаллизация с помощью метода выращивания
под высоким давлением 259
10.3.1.
Характер и морфология кристаллов 260
10.3.2.
Физические свойства кристаллов 261
10.4.
Выращивание кристаллов на затравке под высоким давлением 263
10.4.1.
Эпитаксия жидкой фазы в направлении с
на различных подложках (LPE) 263
10.4.2.
Моделирование конвекционного переноса в галлии
при LPE-выращивании (стационарные решения) 266
10.4.3.
Затравочное выращивание с помощью
регулируемого конвекционного потока галлия 270
10.4.4.
Выращивание в с-направлениях на HVPE-затравке 272
10.4.5.
Выращивание на HPVE-затравках в неполярных направлениях 275
10.4.6.
Моделирование процесса конвекционного переноса в галлии
(решения, зависящие от времени) 276
10.5.
Применения GaN-подложек, выращенных с помощью метода высокого
давления: лазерные УФ-диоды (синей области спектра) производства
компании TopGaN Ltd 279
10.6.
Заключение и перспективы метода выращивания под высоким давлением 281
Литература 282
Глава 11. Краткий обзор использования метода Na-Flux
для выращивания кристаллов GaN большого размера 285
Дирк Эрентраут и Элке Мейсснер
11.1.
Вступление 285
11.2.
Исторический экскурс 286
11.3.
Экспериментальные условия для выращивания GaN
с помощью метода жидкофазной эпитаксии натриевого флюса 289
11.4.
Механизм роста и дислокации 290
11.4.1.
Влияние состава флюса на стабильность выращивания
и морфологию кристалла 290
11.4.2.
Механизм роста и влияние на заселенность дислокаций 291
11.4.3.
Растворимость и скорость выращивания 292
11.5.
Свойства GaN 294
11.6.
Перспективы промышленного использования метода натриевого флюса 294
Литература 295
Глава 12. Выращивание нитрида галлия в растворе низкого давления 297
Э. Мейсснер, С. Хусси и Дж. Фридрих (E. Meissner, S. Hussy, J. Friedrich)
12.1.
Вступление 297
12.2.
Технология выращивания из расплава при атмосферном давлении,
метод LPSG (метод выращивания из раствора при низком давлении) 300
12.2.1.
Реакция образования GaN в атмосфере аммиака 301
12.2.2.
Растворимость азота в Ga-cодержащих растворах 305
12.2.3.
Установка для выращивания, техпроцесс и главные задачи 309
12.2.4.
Влияние параметров процесса на эпитаскиальный
и паразитный рост GaN 311
12.3.
Развитие структуры и морфологии слоев GaN 317
12.3.1.
Значение начальной стадии роста 317
12.3.2.
Макроскопические дефекты при выращивании GaN
из раствора низкого давления (LPSG) 320
12.4.
Свойства GaN-материала, выращенного
из ратвора низкого давления (LPSG GaN) 321
12.4.1.
Структурные свойства и плотность дислокаций GaN,
выращиваемого из раствора низкого давления (LPSG) 322
12.4.2.
Электрические свойства 328
12.4.3.
Примеси 328
12.5.
Итоги и перспективы 329
Литература 331
Часть 5. Описание характеристик кристаллов GaN 334
Глава 13. Оптические свойства подложек из GaN 334
Шигефуса Ф. Чичибу (Shigefusa F. Chichibu)
13.1.
Вступление 335
13.2.
Оптические характеристики GaN-подложек, выращенных
с помощью методов эпитаксии из паровой фазы
металлорганических и галоидных соединений 336
13.2.1.
Спектры фотоотражения экситонных поляритонов в GaN-подложке,
полученной с помощью латерального MOVPE-наращивания 336
13.2.2.
Фотолюминесценция с временным разрешением (TPRL)
GaN-подложки, изготовленной с помощью метода MOVPE-LEO 342
13.2.3.
Низкотемпературные спектры фотолюминесценции (PL)
GaN-подложки, изготовленной с помощью HVPE-метода
эпитаксиального латерального наращивания 344
13.3.
Влияние роста в полярном направлении на оптические свойства
затравочных GaN-подложек, выращенных аммонотермальным методом 346
13.4.
Влияние изгиба дислокаций на оптические свойства затравочных
GaN-подложек, выращенных с помощью аммонотермального метода 348
13.5.
Заключение 351
Литература 352
Глава 14. Исследование точечных дефектов и примесей в объемном GaN с помощью
спектроскопии позитронной аннигиляции 356
Филип Туомисто (Filip Tuomisto)
14.1.
Вступление 356
14.2.
Спектроскопия позитронной аннигиляции 358
14.2.1.
Позитроны в твердых веществах 358
14.2.2.
Позитроны в дефектах 360
14.2.3.
Экспериментальные методики 364
14.3.
Вросшие дефекты 368
14.3.1.
Образование дефекта: методы выращивания и легирование 368
14.3.2.
Дефекты и полярность роста 372
14.4.
Создание дефектов 374
14.4.1.
Термический отжиг под высоким давлением 375
14.4.2.
Эксперименты по электронному облучению 377
14.5.
Заключение 380
Литература 381
