ÿþO p t i c a l a n d Q u a n t u m E l e c t r o n i c s 3 2 : 2 2 7 ± 2 4 8 , 2 0 0 0 .
Ó 2 0 0 0 K l u w e r A c a d e m i c P u b l i s h e r s . P r i n t e d i n t h e N e t h e r l a n d s . 2 2 7
S o l u t i o n s f o r h e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h o f G a N a n d
t h e i r i m p a c t o n d e v i c e s
M A R K U S K A M P
D e p a r t m e n t o f O p t o e l e c t r o n i c s , U n i v e r s i t y o f U l m , 8 9 0 6 9 U l m , G e r m a n y
( E - m a i l : m a r k u s . k a m p @ e - t e c h n i k . u n i - u l m . d e )
A b s t r a c t . G a N t e c h n o l o g y r e l i e s o n h i g h l y m i s m a t c h e d h e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h , m a i n l y o n s a p p h i r e o r S i C
s u b s t r a t e s , a n d t h e r e f o r e s u € e r s f r o m 1 0 9 t o 1 0 1 0 t h r e a d i n g d i s l o c a t i o n s p e r c m 2 . T h e o r i g i n a n d t h e
d e t e r i o r a t i n g i n ¯ u e n c e o f t h e e x t r e m e l y h i g h d i s l o c a t i o n d e n s i t i e s a r e a n a l y z e d w i t h r e g a r d t o t h e s p e c i ® c
c i r c u m s t a n c e s o f G a N t e c h n o l o g y . V a r i o u s a t t e m p t s t o c o p e w i t h h e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h a r e d i s c u s s e d ,
f r o m t h e u s e o f n u c l e a t i o n l a y e r s t o t h e g r o w t h o n G a N s i n g l e b u l k c r y s t a l s . S p e c i a l f o c u s i s p u t o n t h e
i m p a c t o f t h e a p p r o a c h e s o n t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e .
K e y w o r d s : d i s l o c a t i o n s , G a N , h e t e r o e p i t a x y , l a s e r , L E D s
1 . I n t r o d u c t i o n
G a N b a s e d m a t e r i a l s a r e t o d a y ' s f a s t e s t d e v e l o p i n g I I I ± V c o m p o u n d s e m i -
c o n d u c t o r t e c h n o l o g y . T h e e x c e l l e n t o p t i c a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s , t h e
w i d e d i r e c t b a n d g a p , t h e t h e r m a l , m e c h a n i c a l , a n d c h e m i c a l r o b u s t n e s s m a k e
G a N b a s e d s e m i c o n d u c t o r s t h e s u p e r i o r m a t e r i a l s y s t e m f o r o p t o e l e c t r o n i c
d e v i c e s ( L E D s , l a s e r , p h o t o d e t e c t o r s ) i n t h e U V t o v i s i b l e r a n g e . A d d i t i o n -
a l l y , e l e c t r o n i c d e v i c e s s u c h a s G a N b a s e d ® e l d e € e c t t r a n s i s t o r s ( F E T s ) a n d
h e t e r o b i p o l a r t r a n s i s t o r s ( H B T s ) o € e r n e w a p p l i c a t i o n s i n h i g h p o w e r , h i g h
f r e q u e n c y m i c r o e l e c t r o n i c s . V a r i o u s o p t o - a n d m i c r o - e l e c t r o n i c d e v i c e s a r e
e i t h e r a l r e a d y e s t a b l i s h e d o r a p p r o a c h i n g t h e m a r k e t s . D e s p i t e t h e t r e m e n -
d o u s s u c c e s s t h i s t e c h n o l o g y s t i l l s u € e r s m o s t l y f r o m t h e l a c k o f a p e r f e c t
s u b s t r a t e a n d t h e r e f o r e h a s t o c o p e w i t h s t r o n g l y m i s m a t c h e d h e t e r o e p i t a x i a l
g r o w t h . D i € e r e n c e s i n l a t t i c e c o n s t a n t s a s w e l l a s t h e r m a l e x p a n s i o n c o e -
c i e n t s r e s u l t i n a b o u t 1 0 9 ± 1 0 1 0 d i s l o c a t i o n s / c m 2 t h u s l i m i t i n g d e v i c e p e r f o r -
m a n c e a n d l i f e t i m e .
T h i s p a p e r p r o v i d e s a n i n t r o d u c t i o n t o g e n e r a l i s s u e s o f h e t e r o e p i t a x i a l
g r o w t h a n d t h e g e n e r a t i o n o f d i s l o c a t i o n s , b o t h w i t h s p e c i a l r e g a r d t o G a N
t e c h n o l o g y a n d t h e i m p a c t o n d e v i c e p e r f o r m a n c e . P o t e n t i a l s u b s t r a t e s a s
w e l l a s v a r i o u s t e c h n i q u e s f o r t h e r e d u c t i o n o f d i s l o c a t i o n d e n s i t i e s a r e
e l a b o r a t e d . D i € e r e n t a p p r o a c h e s t o i m p r o v e t h e l a y e r p r o p e r t i e s , f r o m l o w
t e m p e r a t u r e n u c l e a t i o n l a y e r s t o h o m o e p i t a x i a l g r o w t h , a r e d i s c u s s e d .
I n p a r t i c u l a r t h e n e w r e s u l t s o n h o m o e p i t a x i a l g r o w t h o n G a N s i n g l e b u l k
c r y s t a l s p r o v i d e n e w s t a n d a r d s i n G a N m a t e r i a l q u a l i t y . T h e e x c e p t i o n a l
2 2 8 M . K A M P
q u a l i t y i s d e t e r m i n e d b y a r e d u c t i o n o f t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e l i n e w i d t h
f r o m 5 t o 0 . 1 m e V a n d a r e d u c e d X R D r o c k i n g c u r v e w i d t h f r o m 4 0 0 t o
2 0 a r c s e c . T h e o u t s t a n d i n g m a t e r i a l q u a l i t y p r o v i d e d n e w i n s i g h t s i n t o f u n -
d a m e n t a l m a t e r i a l p a r a m e t e r s ( e . g . l a t t i c e p a r a m e t e r s , e x c i t o n i c b i n d i n g e n -
e r g i e s , e t c . ) b e i n g n o t a c c e s s i b l e b y h e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h .
2 . P o t e n t i a l s u b s t r a t e s f o r G a N t e c h n o l o g y
D e s p i t e t h e f a s t a n d o u t s t a n d i n g a c h i e v e m e n t s o f G a N b a s e d o p t i c a l a n d
e l e c t r i c a l d e v i c e s , t h e t e c h n o l o g y s t i l l s u € e r s f r o m s t r o n g l y m i s m a t c h e d h e -
t e r o e p i t a x i a l g r o w t h . G a N s u b s t r a t e s p u l l e d f r o m a m e l t a r e n o t a v a i l a b l e ,
y e t . P r e d i c t e d t e m p e r a t u r e s a n d p r e s s u r e s o f a b o u t 2 8 0 0 K a n d 4 5 0 0 0 b a r
b e i n g m a n d a t o r y f o r m e l t g r o w t h w i l l i n h i b i t t h e s e s u b s t r a t e s f o r t h e f o r e -
s e e a b l e f u t u r e ( V a n V e c h t e n 1 9 7 3 ) . A l l s u b s t r a t e s o t h e r t h a n G a N i t s e l f l e a d
t o h e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h , t h u s g i v i n g r i s e t o a d e t e r i o r a t i o n i n e p i t a x i a l
q u a l i t y d u e t o d i € e r e n c e s i n l a t t i c e c o n s t a n t s a n d t h e r m a l e x p a n s i o n c o e -
c i e n t s b e t w e e n s u b s t r a t e a n d l a y e r . F o r a c o m p r e h e n s i v e o v e r v i e w , p o t e n t i a l
s u b s t r a t e s f o r G a N t e c h n o l o g y a r e l i s t e d i n T a b l e 1 t o g e t h e r w i t h t h e i r
f u n d a m e n t a l c r y s t a l l i n e p a r a m e t e r s .
E x c e p t o f L i G a O 2 n o n e o f t h e p o t e n t i a l s u b s t r a t e s c a n p r o v i d e l a t t i c e
m a t c h i n g e v e n c l o s e t o t h e r e q u i r e m e n t s o f o t h e r I I I ± V t e c h n o l o g i e s . I n
T a b l e 1 . P o t e n t i a l s u b s t r a t e s f o r G a N t e c h n o l o g y a n d t h e i r f u n d a m e n t a l p h y s i c a l p a r a m e t e r
S u b s t r a t e C r y s t a l s t r u c t u r e L a t t i c e m i s m a t c h D i € . i n t h e r m . C l e a v a g e S t a b i l i t y f o r
t o a - G a N ( % ) E x p a n s i o n c o e € . p l a n e M O V P E
a t 3 0 0 K t o a - G a N ( ´ 1 0 ) 6 ) p r o c e s s
S i D i a m o n d 2 0 . 1 ) 2 . 0 ( 1 1 1 ) G o o d
G a A s Z i n c b l e n d e 2 5 . 3 0 . 4 ( 1 1 0 ) S u c i e n t
G a P Z i n c b l e n d e 2 0 . 7 0 . 9 ( 1 1 0 ) S u c i e n t
M g O R o c k s a l t ) 6 . 5 4 . 9 ( 1 0 0 ) S u c i e n t
M n O R o c k s a l t ) 1 . 4 ( 1 0 0 ) I n s t a b l e
C o O R o c k s a l t ) 5 . 4 ( 1 0 0 ) I n s t a b l e
N i O R o c k s a l t ) 7 . 6 ( 1 0 0 ) I n s t a b l e
M g A l 2 O 4 S p i n e l ) 1 0 . 3 1 . 9 ( 1 0 0 ) G o o d
N d G a O 3 P e r o v s k i t e ) 1 . 2 1 . 9 S u c i e n t
Z n O W u r t z i t e 2 . 0 ) 2 . 7 ( 1 ± 1 0 0 ) S u c i e n t
( 1 1 ± 2 0 )
( 0 0 0 1 )
6 H - S i C Z n s 6 H ) 3 . 4 ) 1 . 4 ( 1 ± 1 0 0 ) G o o d
( 1 1 ± 2 0 )
( 0 0 0 1 )
L i A l O 2 b - N a F e O 2 1 . 7 1 . 7 ( 0 0 1 ) I n s t a b l e
L i G a O 2 b - N a F e O 2 ) 0 . 1 1 . 9 ( 0 1 0 ) I n s t a b l e
A l 2 O 3 C o r u n d u m 1 3 . 8 1 . 9 ( 1 ± 1 0 2 ) G o o d
L i N b O 3 I l m e n i t e ) 6 . 7 9 . 9 ( 1 ± 1 0 2 ) I n s t a b l e
L i T a O 3 I l m e n i t e ) 6 . 8 1 0 . 6 ( 1 ± 1 0 2 ) S u c i e n t
S O L U T I O N S F O R H E T E R O E P I T A X I A L G R O W T H O F G a N 2 2 9
a d d i t i o n t o a b o v e p r o p e r t i e s , t h e t h e r m a l a n d t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a s
w e l l a s p r i c e a n d a v a i l a b i l i t y h a v e t o b e c o n s i d e r e d , l e a v i n g 6 H - S i C a n d
c - p l a n e s a p p h i r e ( A l 2 O 3 ) a s t h e o n l y t w o s u b s t r a t e w i d e l y u s e d i n G a N
t e c h n o l o g y .
H e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h o f G a N r e s u l t s i n a b o u t 1 0 9 t h r e a d i n g d i s l o c a t i o n s
( T D ) p e r c m 2 f o r t h e p r e s e n t G a N t e c h n o l o g y o n s a p p h i r e o r S i C s u b s t r a t e s .
S u c h h i g h d i s l o c a t i o n d e n s i t i e s , b e i n g 5 ± 6 o r d e r s o f m a g n i t u d e h i g h e r t h a n i n
c o n v e n t i o n a l I I I ± V t e c h n o l o g i e s a r e p r e s e n t e v e n i n s t a t e o f t h e a r t d e v i c e
m a t e r i a l . T h e d e t e r i o r a t i n g i n ¯ u e n c e o f t h e T D , h o w e v e r , i s s i g n i ® c a n t l o w e r
t h a n e x p e c t e d . F i g u r e 1 s h o w s t h e n o r m a l i z e d e c i e n c y o f L E D s v e r s u s t h e
d i s l o c a t i o n d e n s i t y o f t h e s e s t r u c t u r e s f o r a v a r i e t y o f d i € e r e n t I I I ± V s e m i -
c o n d u c t o r s y s t e m s i n c l u d i n g G a N ( a f t e r L e s t e r ( 1 9 9 5 ) ) .
O n t h e ® r s t g l a n c e T D s e e m t o b e n o p r o b l e m t o g r o u p I I I n i t r i d e s , a s
j u d g e d f r o m t h e i r L E D e c i e n c y . H o w e v e r , a s w e w i l l s e e l a t e r i n S e c t i o n 5 ,
` T h e R u l e o f D i s l o c a t i o n s i n G a N ' , T D s e v e r e l y h a m p e r G a N b a s e d d e v i c e s
i n m a n y t e r m s i n c l u d i n g l i f e t i m e a n d p e r f o r m a n c e .
3 . H e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h
S e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y r e q u i r e s e p i t a x i a l g r o w t h o f a n e x t r e m e l y h i g h
q u a l i t y . P e r f e c t c r y s t a l g r o w t h c a n o n l y b e a t t a i n e d u s i n g a s u b s t r a t e t h a t i s
i d e n t i c a l i n c r y s t a l s t r u c t u r e , l a t t i c e c o n s t a n t a n d t h e r m a l e x p a n s i o n c o e -
c i e n t . T h i s i s o n l y g u a r a n t e e d f o r h o m o e p i t a x y , w h e r e s u b s t r a t e a n d e p i t a x i a l
F i g . 1 . N o r m a l i z e d e c i e n c y o f L E D s v e r s u s d i s l o c a t i o n d e n s i t y o f t h e s e s t r u c t u r e s , f o r a v a r i e t y o f
d i € e r e n t I I I ± V s e m i c o n d u c t o r s y s t e m s .
2 3 0 M . K A M P
l a y e r c o n s i s t o f i d e n t i c a l m a t e r i a l . U n d e r t h o s e c i r c u m s t a n c e s , l a y e r - b y - l a y e r
g r o w t h c a n b e o b t a i n e d , r e s u l t i n g i n t w o - d i m e n s i o n a l g r o w t h w i t h o u t g e n -
e r a t i o n o f d i s l o c a t i o n s . I f a h o m o e p i t a x i a l s u b s t r a t e i s n o t a v a i l a b l e , a b o v e
c r i t e r i a s h o u l d b e m a t c h e d a s c l o s e a s p o s s i b l e . A l m o s t e v e r y s e m i c o n d u c t o r
m a t e r i a l s y s t e m e i t h e r g r o u p I V , I I I ± V o r I I ± V I i s g r o w n u s i n g h o m o e p i t a x i a l
g r o w t h o r a t l e a s t a c l o s e l y l a t t i c e m a t c h e d s u b s t r a t e ( D a = a 1 0 3 ) .
A t g r o w t h t e m p e r a t u r e t h e o v e r a l l m i s m a t c h b e t w e e n e p i t a x i a l ® l m a n d
s u b s t r a t e , r e s u l t i n g f r o m d i € e r e n t t h e r m a l e x p a n s i o n c o e c i e n t s a s w e l l
a s l a t t i c e m i s m a t c h a t r o o m t e m p e r a t u r e , i s r e l a x e d u n d e r f o r m a t i o n o f
d i s l o c a t i o n s . T h e l a t t i c e m i s m a t c h a t g r o w t h t e m p e r a t u r e c a n b e c a l c u l a t e d
a c c o r d i n g t o E q u a t i o n ( 1 )
D a a L … T † a S … T † a L … 2 0 C † … 1 ‡ a L D T † a S … 2 0 C † … 1 ‡ a S D T †
… T † ˆ ˆ
a a S … T † a S … 2 0 C † … 1 ‡ a S D T †
… 1 †
w h e r e a L a n d a S a r e t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t l a t t i c e c o n s t a n t s o f l a y e r a n d
s u b s t r a t e , r e s p e c t i v e l y , a L a n d a S a r e t h e i r t h e r m a l e x p a n s i o n c o e c i e n t s , a n d
D T i s t h e d i € e r e n c e b e t w e e n r o o m a n d g r o w t h t e m p e r a t u r e .
U p o n c o o l i n g t o r o o m t e m p e r a t u r e d i € e r e n c e s i n t h e r m a l e x p a n s i o n c o -
e c i e n t s d e t e r m i n e t h e r e s i d u a l b i a x i a l s t r e s s i n t h e e p i t a x i a l l a y e r . T h e a c t i n g
f o r c e s ( P ) , t h e s t r e s s ( r ) a n d t h e c u r v a t u r e r a d i u s ( R ) c a n b e c a l c u l a t e d
a c c o r d i n g t o t h e t w o - d i m e n s i o n a l e l a s t i c b e a m t h e o r y f o r i s o t r o p i c m a t e r i a l s .
2 3
P P
d j d i X
D T
j > i i
P i ˆ E d i 6 ‡ d j … a i a j † 7 … 2 †
4 5
2 R d
j > i
P i E d i
r i ˆ ‡ x i … 3 †
d i R 2
… d i ‡ d j † 3
P P
R ˆ … 4 †
6 D T d i d j … a i a j †
i j
E b e i n g Y o u n g s m o d u l i , d i t h e t h i c k n e s s , a n d x i t h e d i s t a n c e a s m e a s u r e d
f r o m t h e c e n t r a l a x i s o f t h e l a y e r i .
T h e r e s u l t i n g s t r a i n , w h i c h c a n b e u p t o 0 . 6 G P a f o r a 3 l m t h i c k G a N
l a y e r g r o w n o n s a p p h i r e a c c o u n t f o r s e r i o u s m a c r o s c o p i c e € e c t s s u c h a s i g -
n i ® c a n t c u r v a t u r e o f t h e s u b s t r a t e / l a y e r s a n d w i c h ( K o z a w a e t a l . 1 9 9 5 ) .
H o w e v e r , t h e k e y t o h e t e r o e p i t a x i a l g r o w t h i s t h e s t r e s s r e l e a s e o n t h e m i -
c r o s c o p i c s c a l e t h a t c a n b e a p p r o a c h e d c o n s i d e r i n g t h e f r e e e n e r g y o f t h e
g r o w i n g s u r f a c e . N a t u r a l l y a n d i n g e n e r a l a n i d e a l g r o w i n g s u r f a c e e n d e a v o r s
S O L U T I O N S F O R H E T E R O E P I T A X I A L G R O W T H O F G a N 2 3 1
t o m i n i m i z e i t s f r e e s u r f a c e e n e r g y ( c ) w h i c h i s u s u a l l y a c h i e v e d b y a m i n i -
m i z a t i o n o f t h e s u r f a c e a r e a , t h u s s u p p r e s s i n g s u r f a c e s t e p s . H o w e v e r , i n c a s e
o f a s t r a i n e d , a n d p a r t i c u l a r l y o f c o m p r e s s i v e l y s t r a i n e d , e p i t a x i a l ® l m s i t c a n
b e e n e r g e t i c a l l y f a v o r a b l e t o m i n i m i z e t h e f r e e e n e r g y b y a n u n d u l a t i o n o f t h e
s u r f a c e ( s e e F i g . 2 ) .
W h e r e a m p l i t u d e t a n d p e r i o d k o f t h e r o u g h n e s s f u l ® l l t h e f o l l o w i n g
u n e q u a t i o n ( P i d d u c k e t a l . 1 9 9 3 ) :
E … D a = a † 2
t = k <