Recognition and characterization of defects in GaN epilayers

• Autorzy: Jezierska E. , Borysiuk J.

Warianty tytułu

PL

Rozpoznawanie i charakterystyka defektów w warstwach epitaksjalnych GaN

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Using conventional and high resolution electron microscopy typical contrast was identified for the “a” pure edge threading dislocations in GaN layers grown on SiC and sapphire. Their atomic structure was shown to exhibit 5/7 atoms configuration. The {1 2 10} stacking fault has two atomic configurations in wurtzite GaN with 1/2<10 1 1> and 1/6<20 2 3> displacement vectors. It originates from steps at SiC surface and it can form on a flat (0001) sapphire surface. In the investigated samples mainly Holt configuration of inversion domains and zigzag boundaries were found. This configuration is realized by inversion with displacement c/2. Different types of nanopipes were found on the cross-sectional GaN/Al2O3 specimens. Most of the observed nanopipes have hexagonal cross-section on planar view and the diameter in the range 5÷20 nm. Screw distortion around the nanopipes was confirmed using Large-Angle Convergent-Beam Electron Diffraction (LACBED) images. Cubic-GaN inclusions were found as colonies of triangular pyramids with the hill of triangle towards SiC substrate. The appearance of second phase precipitates inside wurtzite GaN epilayer is associated with stacking mismatch boundaries and misoriented mosaic domains. The size of c-GaN inclusions is in the range 2÷16 nm with average lateral diameter near 5 nm.

PL

Krawędziowe dyslokacje typu ,,a” przebiegające na wskroś warstw epitak- sjalnych GaN/SiC zidentyfikowano na podstawie typowego kontrastu, stosując techniki konwencjonalne i wysokorozdzielczą mikroskopię elektronową. Określono atomową konfigurację rdzenia dyslokacji, jako układ 5/7 najbliższych atomów. Występujące w strukturze wurcytu błędy ułożenia {1 2 10} przyjmują w badanych warstwach epitaksjalnych GaN dwie konfigurację 0 różnych wektorach przemieszczenia 1/2<10 1 1> i 1/6<20 2 3>. Powstają one na skutek tworzenia stopni na powierzchni podłoża SiC lub na płaskich powierzchniach bazowych szafiru. Stwierdzono występowanie granic domen inwersyjnych i granic typu zig-zag o konfiguracji charakteryzującej się złożeniem inwersji i przemieszczenia c/2 w kierunku osi heksagonalnej. W warstwach epitaksjalnych GaN/szafir zaobserwowano nanorurki jako dyslokacje śmbowe o otwartym rdzeniu. Większość nanorurek na przekroju planarnym wykazywała kształt heksagonahiy i rozmiary w zakresie 5 ÷20 nm. Dystorsja śmbowa wokół nanorurek została potwierdzona za pomocą metody zbieżnej wiązki elektronów przy dużych kątach zbieżności (LACBED). W strukturze heksagonalnej GaN/SiC zaobserwowano obszary fazy o sieci regulamej c-GaN, jako kolonie o kształcie odwróconych piramidek o wielkości u podstawy 2÷16 nm, przy średniej wielkości 5 nm.

Słowa kluczowe

EN

TEM; HRTEM; LACBED; GaN; dislocations; stacking faults; nanopipes

PL

TEM; HRTEM; LACBED; GaN; dyslokacja; błędy ułożenia; nanorurki

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 4
• Strony: 277--282
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Jezierska E.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Borysiuk J.

• Instytut Fizyki PAN, Warszawa

Bibliografia

• [1] Nakamura S., Pearton S., Fasol G.: The blue laser diode: the complete story. Springer Berlin (2000).
• [2] Ruterana P., Albrecht M., Neugebauer J.: Nitride semiconductors, Handbook on materials and devices. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim (2003).
• [3] Kamler G., Weyher J. L., Grzegory I., Jezierska E., Wosinski T.: Defect- selective etching of GaN in a modified molten bases system. Journal of Crystal Growth 246 (1 -2) (2002) 21÷24. Publisher: Elsevier, Netherlands.
• [4] Rudzinski M., Hageman P. R., Grzegorczyk A. G., Macht L., Rödle T. C., Jos H. F. F., Larsen P. K.: Influence of the substrate misorientation of 4H-SiC substrates on the morphology and crack formation in heteroepitaxial grown GaN epilayers by MOCVD. Physica Status Solidi (c) 2 (7) (2005) 2l4l÷2l46.
• [5] Gleiter H., Chalmers B.: High-angle grain boundaries. Pergamon Press Ltd., Oxford (1972).
• [6] Bai J., Huang X., Dudley M., Wagner B., Davis R. F., Wu L., Sutter E., Zhu Y., Skromme B. J.: Intersecting basal plane and prismatic stacking fault structures and their formation mechanisms in GaN. Journal of Applied Physics 98, 063510 (2005) 1÷9.
• [7] Jezierska E., Borysiuk J.: HRTEM and LACBED of zigzag boundaries in GaN epilayers. Proc. XXII Conference on Applied Crystallography 2÷6 September 2012, Targanice, Poland (in press, Solid State Phenomena 203-204 (2013) 24÷27.
• [8] Stadelmann P. A.: JEMS - A software package for electron diffraction analysis and HRTEM simulation in materials science, ver. 1.7 (2007).
• [9] Wang D., Hiroyama Y., Tamura M., Ichikawa M., Yoshida S.: Growth of high-quality cubic GaN on Si (001) coated with ultra-thin flat SiC by plasma-assisted molecular-beam epitaxy. Journal of Crystal Growth 216 (2000) 44÷50.
• [10] Selke H., Kirchner V., Heike H., Einfeldt S., Ryder P. L., Hommel D.: Politypism in epitaxially grown gallium nitride. Joumal of Crystal Growth 208 (2000) 57÷64.
• [11] Rudzinski M., Jezierska E., Weyher J. L., Macht L., Hageman P. R., Borysiuk J., Rödle T., Jos H. F. F., Larsen P. K.: Defect formation in GaN grown on vicinal 4H-SiC (0001) substrates. Physica Status Solidi (a) 204 (12) (2007) 4230÷4240.
• [12] Vennegues P., Beaumont B., Vaille M., Gibart P.: Study of open-core dislocations in GaN films on (0001) sapphire. Appl.Phys. Lett. 70 (18) (1997) 2434÷2436.
• [13] Chems D., Young W. T., Steeds J. W., Ponce F. A., Nakamura S.: Observation of coreless dislocations in ot-GaN. Joumal of Crystal Growth 178 (1997) 201÷206.
• [14] Tanaka M., Saito R., Ueno K., Harada Y.: LACBED. Journal of Electron Microscopy 29 (1980) 408÷412
• [15] Tanaka M., Terauchi M., Tsuda T.: Convergent-Beam Electron Diffraction, vol. 3-4, Jeol Ltd., Tokyo (1994, 2002).
• [16] Morniroli J. P., Large-Angle Convergent-Beam Electron Diffraction (LACBED). Applications to crystal defects, Sfu, Paris (2002).
• [17] Jezierska E., Weyher J. L., Rudzinski M., Borysiuk J.: TEM observation of nanopipes in heteroepitaxial GaN. The European Physical Journal Applied Physics 27 (2004) 255÷258.
• [18] Jezierska E.: The art and application of large angle convergent beam electron diffraction. Solid State Phenomena 186 (2012) 16÷19.