Molecular beam epitaxy of AlScN on Si(111)

材料科学 分子束外延 薄膜 硅 光电子学 成核 半最大全宽 压电 压电系数 宽禁带半导体 外延 表面粗糙度 晶体生长 氮化物 带隙 氮化硅 半导体 表面光洁度 异质结 图层(电子) 钪 单晶硅 复合材料 分子束 光学 铝 矿物学 晶格常数 粘着系数 金属有机气相外延 Crystal(编程语言) X射线晶体学
作者
R. Singh,N. Veeraraghavan,Chandrashekhar Savant,Debaditya Bhattacharya,W. Zhao,Thai‐Son Nguyen,Anand Ithepalli,Pierce Lonergan,Huili Grace Xing,Debdeep Jena
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:139 (11) 被引量:3
标识
DOI:10.1063/5.0314074
摘要

Wurtzite aluminum scandium nitride thin films are a leading candidate material for the development of next-generation semiconductor electronic, photonic, and acoustic devices. The integration of high-quality AlScN thin films on a silicon platform is of scientific and commercial interest. Here, we report the successful epitaxial growth of crack-free metal-polar AlScN thin films on (111) silicon substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy. We identify critical nucleation conditions for smooth morphology and growth parameters for high crystal quality and stress mitigation. Using an AlN nucleation layer grown under nitrogen-rich conditions and compositionally graded AlScN buffer layers, we obtain single-phase films with narrow 002 rocking curve FWHM as low as 0.51°, crack-free films up to 150 nm thick with ScN fraction as high as 31%, and surface RMS roughness as low as 0.54 nm over 400μm2, which follow the morphology of the underlying silicon substrates with a mixed 2D–3D growth mode. The lattice parameters, d33 piezoelectric coefficients, and optical bandgap are measured as a function of Sc composition. With increasing Sc composition, the piezoelectric coefficient is enhanced to as high as 34.7 pm/V.
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