Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Nanostructural analysis of cubic GaN and cubic InN films by transmission electron microscopy

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

การวิเคราะห์โครงสร้างระดับนาโนของฟิล์มคิวบิกแกลเลียมไนไตรด์และคิวบิกอินเดียมไนไตรด์โดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิด ส่องผ่าน

Year (A.D.)

2011

Document Type

Thesis

First Advisor

Sakuntam Sanorpim

Second Advisor

Chanchana Thanachayanont

Faculty/College

Graduate School (บัณฑิตวิทยาลัย)

Degree Name

Doctor of Philosophy

Degree Level

Doctoral Degree

Degree Discipline

Nanoscience and Technology

DOI

10.58837/CHULA.THE.2011.2331

Abstract

Structural analysis of the cubic-phase GaN (c-GaN) and InN (c-InN) thin films was performed in nano-scale using transmission electron microscopy (TEM) to verify the structural-phase transformation and the structural defect formation, which may be affected by the structural similarities between the cubic (111) and hexagonal (0001) planes with rotating 60. This study found out that the insertion of buffer layer is a successful method to protect the (001) GaAs substrate from thermal decomposition, which introduces the (111) stepped on (001) GaAs surface. This results in a structural-phase transformation from cubic to mixed cubic/hexagonal-phases in the cubic nitride films. Moreover, an anisotropic (111) steps along the [110] and [110] direction of the buffer layer induced anisotropic distribution of defects observed in cross-sectional TEM images taken along the [110] and [110] zone axes. Zone axis dependent type of defects is due to a different atomic structure of surface step on the (001) AlGaAs buffer layer. Cross-sectional TEM images taken along [110] zone axis show a less stacking faults (SFs) but appear a cubic twin with an epitaxial orientation of [114]cubic twin//[110]substrate. Only some treading dislocations were observed on top region of the layer. A present of cubic twin also induced an anti-phase domain boundary in the layer. For the c-InN thin films on MgO (001) substrate with a c-GaN buffer, the In-rich growth condition was found to improve the crystal quality of the c-InN grown layer. Hexagonal phase generation decreased with increasing growth temperature and In flux. However, the structural-phase transformation from cubic to mixed cubic/hexagonal phases in the best quality c-InN films exhibited in a form of planar defects, such as stacking faults and twins generated from the interface between the c-GaN buffer layer and the c-InN film.

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

ได้ดำเนินการวิเคราะห์เชิงโครงสร้างในระดับนาโนสเกลของฟิล์มบางคิวบิกเฟสแกลเลียมไนไตรด์ (c-GaN) และ อินเดียมไนไตรด์ (c-InN) โดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน (TEM) เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนโครงสร้างเฟส และการเกิดความบกพร่องเชิงโครงสร้าง ซึ่งอาจเป็นผลกระทบจากความคล้ายของโครงสร้างระหว่างคิวบิกระนาบ (111) และเฮกซะโกนัลระนาบ (0001) โดยการหมุน 60 องศา การศึกษานี้พบว่าการแทรกชั้นบัฟเฟอร์ เป็นวิธีที่ใช้แล้วประสบความสำเร็จในการปกป้องซับสเตรต GaAs ที่มีผิวระนาบ (001) จากการแตกสลายด้วยความร้อนซึ่งก่อเกิดขั้น (step) ระนาบ (111) บนผิวหน้า GaAs ระนาบ (001) ส่งผลในการเปลี่ยนโครงสร้างเฟสจากคิวบิกเป็นเฟสผสมคิวบิก/เฮกซะโกนัลในฟิล์มคิวบิกไนไตรด์ นอกจากนี้ความไม่สม่ำเสมอของขั้นระนาบ (111) ตามแนวทิศทาง [110] และ [110] ของชั้นบัฟเฟอร์ก่อเกิดการกระจายตัวในความไม่สม่ำเสมอของความบกพร่องที่สังเกตได้จากภาพชนิดภาคตัดขวางที่วัดจาก TEM ตามแนวแกน [110] และ [110] ชนิดของความบกพร่องขึ้นกับแนวแกนเนื่องจากความไม่สม่ำเสมอโครงสร้างอะตอมที่เป็นขั้นในระนาบ (001) ของผิวหน้าชั้นบัฟเฟอร์อะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (AlGaAs) ภาพชนิดภาคตัดขวางที่วัดจาก TEM ตามแนวแกน [110] แสดงสแตกกิงฟอลท์ (stacking faults) จำนวนน้อยแต่พบทวิน (twin) ของคิวบิกโดยการวางตัวของอิพิแทกซีในทิศทาง [114]ทวินของคิวบิก//[110]ซับสเตรต มีเฉพาะดิสโลเคชันแนวตรงถูกพบที่บริเวณส่วนบนของชั้นฟิล์ม การมีทวินของคิวบิกก่อให้เกิดบริเวณแอนติเฟสโดเมนในชั้นฟิล์ม สำหรับฟิล์มบาง c-InN บนซับสเตรตแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) ที่มีผิวระนาบ (001) ที่มีบัฟเฟอร์ c-GaN เงื่อนไขการปลูกที่มีอินเดียมในปริมาณมากเกินพอช่วยพัฒนาคุณภาพผลึกของการปลูกชั้น c-InN การเกิดเฟสเฮกซะโกนัลลดลงโดยเพิ่มอุณหภูมิการปลูกและฟลักซ์ของอินเดียม อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนโครงสร้างเฟสจากคิวบิกเป็นเฟสผสมคิวบิก/เฮกซะโกนัลใน c-InN ให้ฟิล์มที่คุณภาพดีที่สุด แสดงในรูปของความบกพร่องเชิงระนาบเช่นสแตกกิงฟอลท์และทวินซึ่งก่อเกิดจากรอยต่อระหว่างชั้นบัฟเฟอร์ c-GaN และชั้นฟิล์ม c-InN

Link to Full Text

Share

COinS