Investigation of HCl assisted MOVPE of group III nitrides in a planetary hot wall system

Fahle, Dirk; Heuken, Michael

doi:33576

Investigation of HCl assisted MOVPE of group III nitrides in a planetary hot wall system = HCl-unterstützte MOVPE von Gruppe III-Nitriden in einem Hot-Wall-Planeten-Reaktor

Fahle, Dirk (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dirk Fahle

ImpressumAachen 2014

UmfangII, 133 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heuken, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-03-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50638
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/444855/files/5063.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet GaN-Bauelementtechnologie (612020)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Drei-Fünf-Halbleiter (Genormte SW) ; Galliumnitrid (Genormte SW) ; MOCVD-Verfahren (Genormte SW) ; Halbleitertechnologie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MOCVD (frei) ; compound semiconductor (frei) ; gallium nitride (frei) ; aluminium nitride (frei) ; MOVPE (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 81.05.Ea * 8

Kurzfassung
Die herausragenden Eigenschaften der Gruppe III-Nitride wie ihre hohe Temperaturstabilität, chemische Robustheit sowie hohe Spannungsfestigkeit haben die Entwicklung und Erforschung von Leistungsbauelementen in den letzten 15 Jahren angetrieben. Dabei hat sich die metall-organische Gasphasenepitaxie (MOVPE) als industrielles Standardverfahren durchgesetzt. HCl wird in Hydridgasphasenepitaxie-Prozessen für das Wachstum von GaN-Substraten mit hohen Wachstumsraten eingesetzt und könnte auch bei der MOVPE interessante Optionen für Prozessverbesserungen bieten. In dieser Arbeit wird eine innovative Hochtemperatur-Hot-Wall-MOVPE-Anlage benutzt, in der die Reaktorwände aktiv auf bis zu 1650°C geheizt werden können. Dadurch ist eine in-situ-Hochtemperaturreinigung oberhalb 1400°C möglich, und es wird eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erreicht. Weiterhin verfügt die Anlage über ein optimiertes Gaseinlass-System, mit der eine unerwünschte Reaktion von Chlorwasserstoff (HCl) und Ammoniak zu Ammoniumchlorid im Prozessraum verhindert werden kann. Damit ist es erstmals möglich, den Einfluss von HCl während des Wachstums von Gruppe III-Nitriden zu untersuchen. Exemplarisch werden die Vorteile und Möglichkeiten dieser Anlage für das Wachstum einer typischen Schichtabfolge von AlGaN/GaN/AlN, wie sie für elektronische Bauelemente auf Saphir-Substraten verwendet wird, gezeigt. Die Schichtabfolge und der Einfluss der einzelnen Prozessparameter werden sukzessive untersucht, angefangen bei der in-situ-Substrat-Vorbehandlung sowie der AlN-Keimschicht. Dabei erlaubt die verwendete Anlage erstmal Zugang zu einem tieferen Verständnis des Nukleationsprozesses von AlN auf Saphir. Es wird gezeigt, dass AlN-Rückstände im Prozessraum das Nukleationsverhalten von AlN auf Saphir signifikant und nicht reproduzierbar beeinflussen. Dieser Einfluss wird mittels einer in-situ- Hochtemperaturreinigung oberhalb 1400°C verhindert. Das Wachstum von AlN-Pufferschichten wird bei Abscheidetemperaturen von bis zu 1300°C untersucht und durch systematische Variation von Prozessparametern optimiert. Durch das Etablieren eines Zwei-Stufen-Prozesses werden so AlN-Pufferstrukturen mit niedrigen Defektdichten von bis zu 1.4&x109cm-2 und atomar glatten Oberflächen erzielt. Zur Optimierung des Abscheidens der AlN- und GaN-Pufferschichten wird der Einfluss von gasförmigem Chlorwasserstoff (HCl) untersucht. Durch die Unterdrückung parasitärer Verluste in der Gasphase mittels HCl kann das Prozessfenster zu hohen Wachstumsraten, auch bei hohem Reaktordruck, erweitert werden. So werden in aktuellen Horizontal-Reaktoren bei 600 hPa Wachstumsraten von ~10 µm/h (GaN) erreicht. Mit dem hier verwendeten Verfahren wurde bei gleichem Reaktordruck die Wachstumsrate um mehr als einen Faktor zwei gesteigert. Jedoch sind deutlich unterschiedliche Mengen an HCl während des Wachstums von GaN und AlN nötig, was unter anderem mit der unterschiedlichen thermischen Zerlegung der beiden binären Materialen erklärt werden kann. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse konnte der Einfluss von HCl während des Wachstums von AlGaN abgeschätzt und experimentell bestätigt werden. Nicht zuletzt werden unerwünschte Ablagerungen an den Reaktorwänden während des Wachstums von GaN minimiert, was einen weiteren Vorteil dieses Verfahrens darstellt. Der Ätzvorgang von GaN und AlN mittels HCl wird eigenständig untersucht und kann durch einen zweistufigen Prozess beschrieben werden. Durch ein gepulstes Einleiten von HCl während des Ätzens von GaN wird die Ätzraten-limitierende Reaktion signifikant beschleunigt. Dadurch kann die benötigte HCl-Menge, um die gleiche GaN-Schichtdicke zu ätzen, um bis zu 92% reduziert werden. Abschließend werden die erzielten Ätzraten mit HCl mit Ätzraten von Chlor (Cl2) verglichen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse werden bereits von einem Industriepartner erfolgreich kommerziell für eine in-situ-Reinigung umgesetzt und genutzt.

The outstanding properties of group III- nitrides such as their high temperature and chemical stability and high dielectric strength have driven the development and research of power devices in the last 15 years. Metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) has been established as method of choice for industrial applications. HCl is used in hydride vapor phase epitaxy for the growth of GaN substrates with high growth rates and could therefore also be of interest for MOVPE process improvements. In this work, an innovative high-temperature hot-wall MOVPE system is used, in which the reactor walls can be actively heated up to 1650°C. Thus, an in-situ high-temperature reactor cleaning above 1400°C is possible, which ensures a high reproducibility of the achieved results. Furthermore, the system is equipped with an optimized gas inlet system to avoid an undesired reaction between hydrogen chloride (HCl) and ammonia. By this, the formation of ammonium chloride in the process chamber is prevented. Therefore, it is possible – for the first time - to investigate the influence of HCl during the growth of group III nitrides. To demonstrate the advantages and possibilities of this reactor, the growth of AlGaN/GaN/AlN layers, which are typically used for transistor devices, on sapphire substrates are investigated. The influence of the different process parameters are successively explored, starting with the in-situ pre-treatment of the substrate and the AlN nucleation layer. The used system allows to gain a deeper understanding of the nucleation of AlN on sapphire. It is shown that residual AlN deposition on reactor walls can affect the nucleation process significantly and in a non-reproducible way. This influence is prevented by applying an in-situ high temperature reactor cleaning above 1400°C. The growth of the AlN buffer layer is investigated at deposition temperatures of up to 1300°C and optimized by systematically varying process parameters. By establishing a two-step process, AlN buffer layers are obtained with low defect densities of up to 1.4x109 cm-2 and atomically smooth surfaces. To optimize the deposition of the AlN and GaN buffer layers, the influence of HCl is investigated. Due to the suppression of parasitic losses in the gas phase by small amounts of HCl, high growth rates are achieved, even at elevated reactor pressure. Growth rates of ~ 10 µm/h (GaN) can be achieved in state-of-the-art horizontal reactors at 600 hPa (without HCl). By the method used in this work, the growth rate was increased by more than a factor of two for same reactor pressure. However, significantly different amounts of HCl during the growth of GaN and AlN are needed to suppress parasitic losses. This can be explained by different thermal decomposition of the binary materials. Based on the findings of HCl-assisted growth of GaN and AlN, the influence of HCl during growth of AlGaN is predicted and experimentally confirmed. Further, undesired depositions on reactor walls during the growth of GaN can be minimized by an HCl-assisted growth, which is a further advantage of this method. The etching of GaN and AlN using HCl is investigated separately and can be described by a two-step process. By a pulsed introduction of HCl during the etching of GaN, the etch rate limiting reaction is significantly accelerated. As a consequence, the required amount of HCl, in order to etch the same GaN layer thickness, can be reduced to up to 92%. Finally, the etch rates obtained by HCl are compared to etch rates obtained by the use of chlorine (Cl2). The findings of this work have already been successfully implemented by an industrial partner for a commercial in-situ reactor cleaning.

Fulltext:
PDF