Study of annealing effect on the physical properties of AlGaN epitaxial layers

No Thumbnail Available

Date

2020

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Saudi Digital Library

Abstract

The low Al content (x ≤ 8%) AlGaN epitaxial layer was grown on GaN/sapphire pseudo-substrate using atmospheric pressure metalorganic vapor phase epitaxy (AP-MOVPE). The growth and thermal annealing of the samples were in situ monitored using laser reflectometry. Three samples of AlGaN/GaN were grown at a different composition, x, of aluminum. The effects of annealing temperature and gas ambient environment on the surface morphology, structural and optical properties of AlxGa1−xN layers were investigated. This study was undertaken using a scanning electron microscopy (SEM), an optical microscope (OM), and cathodoluminescence (CL). The thermal annealing process was performed via the MOVPE vertical reactor in mixed flows of H2 and N2 at the temperature range of 900-1200°C. Under N2 ambient, the AlGaN layers were annealed up to the temperature (T) of 1200 °C for 30 min. The in situ laser reflectometry showed a constant reflectivity signal for a long time synonymous of a thermal stability. However, under these same conditions, the GaN epitaxial layers began to decompose at 1100 °C and lose a large part of their thickness at 1200 °C. The SEM micrographs displayed very small pits on the surface of the samples at 1050 °C and 1200 °C probably associated with etch pits revelation. On the other hand, the GaN/AlGaN/GaN/sapphire hetero-structure was annealed at 1200 °C under a nitrogen atmosphere. We observed that the GaN cap layer was completely decomposed at 1200 °C, while the AlGaN layer underneath was stable at this temperature. In H2 atmosphere, a critical decomposition temperature of AlGaN was found to be approximately 980 °C. At 1200 °C, the decomposition rate reached a value of about 10.3μm/h. However, the annealing under H2 gas ambient at T<1200 °C led to the formation of cracks on AlxGa1−xN surface. Above 1200 °C, the OM images showed the extremely poor quality of AlGaN surface due to the total decomposition. Moreover, the addition of N2 into the mixture flow N2 + H2 partially blocks the decomposition. Room temperature CL intensity increased for the sample annealed at 1200 °C in an N2 gas atmosphere indicating the improvement of the optical properties of AlGaN layer. On the other hand, at the same temperature, annealing under pure hydrogen atmosphere led to a complete disappearance of CL in the GaN and AlGaN epitaxial layers.

Description

تم انماء طبقة فوقية من الألمنيوم جاليوم نيترايد (Alx Ga1x ) والتي تحتوي على نسبة قليلة من الالمنيوم ( %8 = x) على ركيزة الجاليوم الياقوت باستخدام تقنية (AP-MOVE). تم رصد النمو والتلدين الحراري للعينات في الموقع باستخدام قياس الليزر الانعكاسي نمت ثلاث عينات من الألمنيوم جاليوم نيترايد/ جاليوم نيترايد بنسب مختلفة ، X ، من الألمنيوم. تمت دراسة تأثير التلدين الحراري و بيئة الغاز المحيطة على الشكل السطحي والخواص التركيبية والبصرية لطبقات الألمنيوم جاليوم نيترايد (Alx Gai-xN ). أجريت هذه الدراسة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح ( (SEM) ، المجهر الضوئي (OM)، مطياف التلألؤ الكاثودي (CL ). تم إجراء عملية التلدين الحراري عبر مفاعل رأسي داخل (MOVPE) في تدفقات مختلطة من الهيدروجين و النيتروجين عند درجات حرارة تتراوح من 900 الى 1200 درجة مئوية تحت محيط النيتروجين، تم تلدين طبقات AlGaN حتى درجة حرارة 1200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. أظهر قياس الانعكاس في الموقع ان إشارة الانعكاسية ثابتة لفترة طويلة مرادفة للاستقرار الحراري لهذه الطبقة. ومع ذلك في هذه الحالة، تبدأ طبقات GaN الفوقية في التحلل عند 1100 درجة مئوية وتفقد جزء كبير من سماكتها عند 1200 درجة مئوية. عرضت نتائج المجهر الإلكتروني الماسح حفر صغيرة جدا على سطح العينات عند 1050 و 1200 درجة مئوية. من ناحية أخرى، تم تلدين هيكل مغاير جاليوم نيترايد / الألمنيوم جاليوم نيترايد/ جاليوم نيترايد الياقوت عند 1200 درجة مئوية تحت جو من النيتروجين. لاحظنا أن طبقة غطاء جاليوم نيترايد تتحلل تماما عند 1200 درجة مئوية بينما كانت طبقة AlGaN مستقرة عند درجة الحرارة هذه في جو من الهيدروجين، تم العثور على درجة حرارة حرجة لطبقة الألمنيوم جاليوم نيترايد عند 980 درجة مئوية . عند درجة حرارة اعلى 1200 درجة مئوية، وعند التلدين في محيط من غاز الهيدروجين، يؤدي الى تكوين التشققات على سطح Alx Ga1-xN. فوق 1200 درجة مئوية اظهرت صور المجهر الضوئي جودة سيئة لسطح بسبب التحلل الكلي. علاوة على ذلك، فإن اضافة غاز النيتروجين في تدفق الخليط ( النيتروجين + الهيدروجين ) يعيق التحلل جزئيا. كثافة CL ازدادت AlGaN للعينة الملدنة عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية في جو من غاز النيتروجين. مما يشير الى تحسين الخصائص البصرية لطبقة .AlGaN من ناحية أخرى، يؤدي التلدين تحت جو من غاز الهيدروجين النقي الى اختفاء كامل لشدة CL لكل من طبقات AlGaN و GaN الفوقية.

Keywords

الريفلكتومرتي, التحلل, التلدين, AlGaN, MOVPE, annealing, decomposition, reflectometry

Citation

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By

Copyright owned by the Saudi Digital Library (SDL) © 2025