Metalorganic chemical vapor deposition of GaN on Si(111): Stress control and application to field-effect transistors

Journal of Applied Physics

Volumn 89, Issue 12, 2001, Pages 7846-7851

  Marchand, H ^a,c   Zhao, L ^a   Zhang, N ^a   Moran, B ^a   Coffie, R ^a   Mishra, U K ^a   Speck, J S ^a   DenBaars, S P ^a   Freitas, J A ^b  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b NAVAL RESEARCH LABORATORY   (United States)

^c JDS UNIPHASE   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 0035875605     PISSN: 00218979     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.1372160     Document Type: Article

References (55)

1. See, for example, Y.-F. Wu, D. Kapolnek, J. Ibbetson, P. Parikh, B. P. Keller, and U. K. Mishra, International Electron Device Meeting Technical Digest, Washington, DC, 5-8 December 1999, pp. 925-927.
2. M. Hansen, P. Fini, L. Zhao, A. C. Abare, L. A. Coldren, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, Appl. Phys. Lett. 76, 529 (2000), and references therein.
3. H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki, and Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986); X. H. Wu, P. Fini, E. J. Tarsa, B. Heying, S. Keller, U. K. Mishra, S. P. DenBaars, and J. S. Speck, J. Cryst. Growth 189/190, 231 (1998).
4. H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki, and Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986); X. H. Wu, P. Fini, E. J. Tarsa, B. Heying, S. Keller, U. K. Mishra, S. P. DenBaars, and J. S. Speck, J. Cryst. Growth 189/190, 231 (1998).
5. See, for example, F. A. Ponce, B. S. Krusor, J. S. Major, Jr., W. E. Piano, and D. F. Welch, Appl. Phys. Lett. 67, 410 (1995); T. W. Weeks, Jr., M. Bremser, K. Ailey, E. Carlson, E. Perry, E. Piner, N. El Masry, and R. F. Davis, J. Mater. Res. 11, 1011 (1996); S. Tanaka, S. Iwai, and Y. Aoyagi, J. Cryst. Growth 170, 329 (1997); N. V. Edwards, M. D. Bremser, R. F. Davis, A. D. Batchelor, S. D. Yoo, C. F. Karan, and D. E. Aspnes, Appl. Phys. Lett. 73, 2808 (1998); H. Lahrèche, M. Leroux, M. Laügt, M. Vaille, B. Beaumont, and P. Gibart, J. Appl. Phys. 87, 577 (2000), and references therein; B. Moran, M. Hansen, M. D. Craven, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, J. Cryst Growth (accepted).
6. See, for example, F. A. Ponce, B. S. Krusor, J. S. Major, Jr., W. E. Piano, and D. F. Welch, Appl. Phys. Lett. 67, 410 (1995); T. W. Weeks, Jr., M. Bremser, K. Ailey, E. Carlson, E. Perry, E. Piner, N. El Masry, and R. F. Davis, J. Mater. Res. 11, 1011 (1996); S. Tanaka, S. Iwai, and Y. Aoyagi, J. Cryst. Growth 170, 329 (1997); N. V. Edwards, M. D. Bremser, R. F. Davis, A. D. Batchelor, S. D. Yoo, C. F. Karan, and D. E. Aspnes, Appl. Phys. Lett. 73, 2808 (1998); H. Lahrèche, M. Leroux, M. Laügt, M. Vaille, B. Beaumont, and P. Gibart, J. Appl. Phys. 87, 577 (2000), and references therein; B. Moran, M. Hansen, M. D. Craven, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, J. Cryst Growth (accepted).
7. See, for example, F. A. Ponce, B. S. Krusor, J. S. Major, Jr., W. E. Piano, and D. F. Welch, Appl. Phys. Lett. 67, 410 (1995); T. W. Weeks, Jr., M. Bremser, K. Ailey, E. Carlson, E. Perry, E. Piner, N. El Masry, and R. F. Davis, J. Mater. Res. 11, 1011 (1996); S. Tanaka, S. Iwai, and Y. Aoyagi, J. Cryst. Growth 170, 329 (1997); N. V. Edwards, M. D. Bremser, R. F. Davis, A. D. Batchelor, S. D. Yoo, C. F. Karan, and D. E. Aspnes, Appl. Phys. Lett. 73, 2808 (1998); H. Lahrèche, M. Leroux, M. Laügt, M. Vaille, B. Beaumont, and P. Gibart, J. Appl. Phys. 87, 577 (2000), and references therein; B. Moran, M. Hansen, M. D. Craven, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, J. Cryst Growth (accepted).
8. See, for example, F. A. Ponce, B. S. Krusor, J. S. Major, Jr., W. E. Piano, and D. F. Welch, Appl. Phys. Lett. 67, 410 (1995); T. W. Weeks, Jr., M. Bremser, K. Ailey, E. Carlson, E. Perry, E. Piner, N. El Masry, and R. F. Davis, J. Mater. Res. 11, 1011 (1996); S. Tanaka, S. Iwai, and Y. Aoyagi, J. Cryst. Growth 170, 329 (1997); N. V. Edwards, M. D. Bremser, R. F. Davis, A. D. Batchelor, S. D. Yoo, C. F. Karan, and D. E. Aspnes, Appl. Phys. Lett. 73, 2808 (1998); H. Lahrèche, M. Leroux, M. Laügt, M. Vaille, B. Beaumont, and P. Gibart, J. Appl. Phys. 87, 577 (2000), and references therein; B. Moran, M. Hansen, M. D. Craven, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, J. Cryst Growth (accepted).
9. See, for example, F. A. Ponce, B. S. Krusor, J. S. Major, Jr., W. E. Piano, and D. F. Welch, Appl. Phys. Lett. 67, 410 (1995); T. W. Weeks, Jr., M. Bremser, K. Ailey, E. Carlson, E. Perry, E. Piner, N. El Masry, and R. F. Davis, J. Mater. Res. 11, 1011 (1996); S. Tanaka, S. Iwai, and Y. Aoyagi, J. Cryst. Growth 170, 329 (1997); N. V. Edwards, M. D. Bremser, R. F. Davis, A. D. Batchelor, S. D. Yoo, C. F. Karan, and D. E. Aspnes, Appl. Phys. Lett. 73, 2808 (1998); H. Lahrèche, M. Leroux, M. Laügt, M. Vaille, B. Beaumont, and P. Gibart, J. Appl. Phys. 87, 577 (2000), and references therein; B. Moran, M. Hansen, M. D. Craven, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, J. Cryst Growth (accepted).
10. See, for example, F. A. Ponce, B. S. Krusor, J. S. Major, Jr., W. E. Piano, and D. F. Welch, Appl. Phys. Lett. 67, 410 (1995); T. W. Weeks, Jr., M. Bremser, K. Ailey, E. Carlson, E. Perry, E. Piner, N. El Masry, and R. F. Davis, J. Mater. Res. 11, 1011 (1996); S. Tanaka, S. Iwai, and Y. Aoyagi, J. Cryst. Growth 170, 329 (1997); N. V. Edwards, M. D. Bremser, R. F. Davis, A. D. Batchelor, S. D. Yoo, C. F. Karan, and D. E. Aspnes, Appl. Phys. Lett. 73, 2808 (1998); H. Lahrèche, M. Leroux, M. Laügt, M. Vaille, B. Beaumont, and P. Gibart, J. Appl. Phys. 87, 577 (2000), and references therein; B. Moran, M. Hansen, M. D. Craven, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, J. Cryst Growth (accepted).
11. 3, 6H-SiC, and Si(111) substrates for GaN epitaxy.
12. H. Marchand et al., MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4, 2 (1999).
13. D. M. Follstaedt, J. Han, P. Provencio, and J. G. Fleming, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G3.72 (1999).
14. A. Strittmatter, A. Krost, M. Straßburg, V. Türck, D. Bimberg, J. Bläsing, and J. Christen, Appl. Phys. Lett. 74, 1242 (1999).
15. A. T. Schremer, J. A. Smart, Y. Wang, O. Ambacher, N. C. MacDonald, and J. R. Schealy, Appl. Phys. Lett. 76, 736 (2000).
16. S. Kaiser, M. Jakob, J. Zweck, W. Gebhardt, O. Ambacher, R. Dimitrov, A. T. Schremer, J. A. Smart, and J. R. Shealy, J. Vac. Sci. Technol. B 18, 733 (2000).
17. H. Lahrèche, P. Vennéguès, O. Tottereau, M. Laügt, P. Lorenzini, M. Leroux, B. Beaumont, and P. Gibart, J. Cryst. Growth 217, 13 (2000).
18. S. I. Molina, A. M. Sánchez, F. J. Pacheco, R. Garcia, M. A. Sánchez-Garcia, F. J. Sánchez, and E. Calleja, Appl. Phys. Lett. 74, 3362 (1999).
19. S. A. Nikishin, N. N. Faleev, V. G. Antipov, S. Francoeur, L. Grave de Peralta, G. A. Seryogin, H. Temkin, T. I. Prokofyeva, M. Holtz, and S. N. G. Chu, Appl. Phys. Lett. 75, 2073 (1999).
20. H. Ishikawa, G. Y. Zhao, N. Nakada, T. Egawa, T. Jimbo, and M. Umeno, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 38, L492 (1999).
21. H. M. Liaw, R. Venugopal, J. Wan, R. Doyle, P. L. Fejes, and M. R. Melloch, Solid-State Electron. 44, 685 (2000).
22. S. Tanaka, Y. Kawaguchi, N. Sawaki, M. Hibino, and K. Hiramatsu, Appl. Phys. Lett. 76, 2701 (2000).
23. W. Yang, S. A. McPherson, Z. Mao, S. McKernan, and C. B. Carter, J. Cryst. Growth 204, 270 (1999).
24. S. Guba and N. A. Bojarczuk, Appl. Phys. Lett. 72, 415 (1998); S. Guha and N. A. Bojarczuk, ibid. 73, 1487 (1998).
25. S. Guba and N. A. Bojarczuk, Appl. Phys. Lett. 72, 415 (1998); S. Guha and N. A. Bojarczuk, ibid. 73, 1487 (1998).
26. C. A. Tran, A. Osinski, R. F. Karlicek, Jr., and I. Berishev, Appl. Phys. Lett. 75, 1494 (1999).
27. J. W. Yang, A. Lunev, G. Simin, A. Chitnis, M. Shatalov, M. Asif Khan, J. E. Van Nostrand, and R. Gaska, Appl. Phys. Lett. 76, 273 (2000).
28. S. Dalmasso, E. Feltin, P. de Mierry, B. Beaumont, P. Gibart, and M. Leroux, Electron. Lett. 36, 1728 (2000).
29. A. Osinsky, S. Gangopadhyay, J. W. Yang, R. Gaska, D. Kuksenkov, H. Temkin, I. K. Shmagin, Y. C. Chang, J. F. Muth, and R. M. Kolbas, Appl. Phys. Lett. 72, 551 (1998).
30. J. L. Pau, E. Monroy, F. B. Naranjo, E. Muñoz, F. Calle, M. A. Sánchez-Garcia, and E. Calleja, Appl. Phys. Lett. 76, 2785 (2000).
31. E. M. Chumbes, A. T. Schremer, J. A. Smart, D. Hogue, J. Komiak, and J. R. Shealy, IEDM Digest, Washington, DC, December 1999, pp. 397-400.
32. T. Egawa, N. Nakada, H. Ishikawa, and M. Umeno, Electron. Lett. 36, 1816 (2000).
33. A. Watanabe, T. Takeuchi, K. Hirosawa, H. Amano, K. Hiramatsu, and I. Akasaki, J. Cryst. Growth 128, 391 (1993).
34. S. Hearne, E. Chason, J. Han, J. A. Floro, J. Figiel, J. Hunter, H. Amano, and I. S. T. Tsong, Appl. Phys. Lett. 74, 356 (1999).
35. P. Waltereit, O. Brandt, A. Trampert, M. Ramsteiner, M. Reiche, M. Qi, and K. H. Ploog, Appl. Phys. Lett. 74, 3660 (1999).
36. J. Han, M. H. Crawford, R. J. Shul, S. J. Hearne, E. Chason, J. J. Figiel, and M. Banas, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G7.7 (1999). See also L. T. Romano, C. G. Van de Walle, J. W. Ager III, W. Götz, and R. S. Kern, J. Appl. Phys. 87, 7745 (2000).
37. J. Han, M. H. Crawford, R. J. Shul, S. J. Hearne, E. Chason, J. J. Figiel, and M. Banas, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G7.7 (1999). See also L. T. Romano, C. G. Van de Walle, J. W. Ager III, W. Götz, and R. S. Kern, J. Appl. Phys. 87, 7745 (2000).
38. Limited experiments were performed in which TMAl preflows corresponding to 2-5 monolayers of aluminum were used; no significant differences in surface morphology, x-ray linewidths, or cracking were observed.
39. J. P. Ibbetson, P. T. Fini, K. D. Ness, S. P. DenBaars, J. S. Speck, and U. K. Mishra, Appl. Phys. Lett. 77, 250 (2000), and references therein.
40. B. Heying, X. H. Wu, S. Keller, Y. Li, D. Kapolnek, B. P. Keller, S. P. DenBaars, and J. S. Speck, Appl. Phys. Lett. 68, 643 (1996).
41. V. Srikant, J. S. Speck, and D. R. Clarke, J. Appl. Phys. 82, 4286 (1997).
42. H. Heinke, V. Kirchner, S. Einfeld, and D. Hommel, Appl. Phys. Lett. 77, 2145 (2000).
43. B. E. Warren, X-ray Diffraction (Dover, New York, 1990).
44. A. Polian, M. Grimsditch, and I. Grzegory, J. Appl. Phys. 79, 3343 (1996); see A. F. Wright, ibid. 82, 2833 (1997).
45. A. Polian, M. Grimsditch, and I. Grzegory, J. Appl. Phys. 79, 3343 (1996); see A. F. Wright, ibid. 82, 2833 (1997).
46. Stress data obtained from optical measurements will be reported in a separate publication. For a discussion, see, for example, Ref. 28 and: B. H. Bairamov, O. Gürdal, A. Botchkarev, H. Morkoç, G. Irmer, and J. Monecke, Phys. Rev. B 60, 16741 (1999).
47. The thicker AlN layers in samples B and E resulted in build-up of electrical charge during the SIMS experiment. Additional SIMS experiments with proper charge compensation are under way.
48. See, for example, X. Zhang, D. Walker, A. Saxler, P. Kung, J. Xu, and M. Razeghi, Electron. Lett. 32, 1622 (1996); E. Calleja et al., Phys. Rev. B 58, 1550 (1998).
49. See, for example, X. Zhang, D. Walker, A. Saxler, P. Kung, J. Xu, and M. Razeghi, Electron. Lett. 32, 1622 (1996); E. Calleja et al., Phys. Rev. B 58, 1550 (1998).
50. Y.-F. Wu, D. Kapolnek, J. Ibbetson, P. Parikh, B. P. Keller, and U. K. Mishra, IMS-2000 Digest, Boston, MA, June 2000, pp. 963-965; Y.-F. Wu, P. M. Chavarkart, M. Moore, P. Parikh, B. P. Keller and U. K. Mishra, IEDM, San Diego, CA, December 2000 (accepted).
51. Y.-F. Wu, D. Kapolnek, J. Ibbetson, P. Parikh, B. P. Keller, and U. K. Mishra, IMS-2000 Digest, Boston, MA, June 2000, pp. 963-965; Y.-F. Wu, P. M. Chavarkart, M. Moore, P. Parikh, B. P. Keller and U. K. Mishra, IEDM, San Diego, CA, December 2000 (accepted).
52. Reports on the growth of AIN on Si(111) include: Ref. 11; E. Rehder, M. Zhou, L. Zhang, N. R. Perkins, S. E. Babcock, and T. F. Kuech, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G3.56 (1999): V. Lebedev, B. Schröter, G. Kipshidze, and W. Richter, J. Cryst. Growth 207, 266 (1999).
53. Reports on the growth of AIN on Si(111) include: Ref. 11; E. Rehder, M. Zhou, L. Zhang, N. R. Perkins, S. E. Babcock, and T. F. Kuech, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G3.56 (1999): V. Lebedev, B. Schröter, G. Kipshidze, and W. Richter, J. Cryst. Growth 207, 266 (1999).
54. S. Keller, G. Parish, P. T. Fini, S. Heikman, C.-H. Chen, N. Zhang, S. P. DenBaars, and U. K. Mishra, J. Appl. Phys. 86, 5850 (1999).
55. D. Jena, A. C. Gossard, and U. K. Mishra, Appl. Phys. Lett. 76, 1707 (2000).