Polarity control and crystalline quality improvement of AlN thin films grown on Si(111) substrates by molecular beam epitaxy

分子束外延 材料科学 外延 极性(国际关系) 光电子学 薄膜 质量(理念) 纳米技术 化学 图层(电子) 物理 生物化学 量子力学 细胞
作者
Shizhao Fan,Yuhao Yin,Rong Liu,Hai-yang Zhao,Zhenghui Liu,Qian Sun,Hui Yang
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:136 (14) 被引量:3
标识
DOI:10.1063/5.0219167
摘要

We attain N-polar and Al-polar AlN thin films on Si(111) substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The polarity of AlN epilayers has been validated by wet chemical etching using tetramethylammonium hydroxide and by the direct cross-sectional observation of atomic stacking under high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy. For the 290 nm-thick as-grown N-polar AlN epilayer, x-ray diffraction (XRD) (002) and (102) ω rocking curve peak full width half maximums (FWHMs) are 475 and 1177 arcsec, and the surface mean square roughness (RMS) is 0.30 nm. We flipped the polarity using the metal-flux-modulation-epitaxy (MME) strategy. The MME strategy promotes anti-phase boundaries (APBs) on the {22¯01} crystalline planes instead of commonly observed lateral planar APBs in AlN epilayers. Merging of the tilted APBs at ∼50 nm leads to a complete Al-polar surface. For the 180 nm-thick Al-polar AlN epilayer, XRD (002) and (102) peak FWHMs are 1505 and 2380 arcsec, and the surface RMS is 1.41 nm. Strain analysis by XRD and Raman spectroscopy indicates a uniform tensile strain of 0.160% across the N-polar AlN epilayer surface and a strain distribution of 0.113%–1.16% through the epilayer. In contrast, the Al-polar AlN epilayer exhibits a much broader tensile strain distribution of 0.482%–2.406% along the growth direction, potentially due to the interaction of polarity inversion and strain relaxation.
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