Study of nanostructures and interfaces of technological materials by means of electron microscopy techniques

Abstract

Τhe main objective of this thesis concerns the structural characterization, using conventional, high resolution and other advanced electron microscopy techniques, of (a) 4H-SiC epilayers homoepitaxially grown on 2 deg-off 4H-SiC substrates, used in metal oxide semiconductor (MOS) based applications and (b) AlGaN/GaN multilayer nanostructures heteroepitaxially grown on “on axis” and off axis (111) silicon (Si) and (0001) silicon carbide (4H-SiC and 6H-SiC) substrates, used in High Electron Mobility Transistor (HEMT) device applications (grown by MOCVD method). More specifically, in case (a), the electron microscopy study revealed a good quality smooth SiO2/4H-SiC interface without epitaxial-induced defects (after chemical mechanical planarization process-CMP), with the oxide showing increased electric breakdown field values. In case (b), the 2 deg off-cut samples presented the best morphology (atomically flat) of the AlGaN barrier and GaN cap layers, despite the steps in the SiC/AlN interface, exhibiting the best electron mobility values. Finally, the quantitative study of HRTEM micrographs permitted the building of models in the stepped-strained SiC/AlN interface. The simulation results of the structure coincided well with the experimental HRTEM results, proving the accuracy of the proposed model and analysis. To sum up, the results of this thesis showed that GaN heteroepitaxy and SiC homoepitaxy can be successfully introduced onto 2-deg-off SiC substrates, paving the way to monolithic integration of both kinds of devices on a common platform of SiC.

Το αντικείμενο της διατριβής αφορά στη μελέτη με τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (συμβατικής, υψηλής διακριτικής ικανότητας και άλλες εξελιγμένες τεχνικές) α) δομών που αποτελούνται από ομοεπιταξιακά ανεπτυγμένα στρώματα 4Η-SiC (καρβιδίου του πυριτίου) σε υποστρώματα 4H-SiC 2 deg-off, για εφαρμογές MOS διατάξεων και β) πολυστρωματικές δομές AlGaN/GaN επιταξιακά ανεπτυγμένες σε υποστρώματα Si (111) (πυριτίου) και (0001) SiC (4H-6H) (on axis και 1-2 deg-off axis), για εφαρμογές σε τρανζίστορ υψηλής ευκινησίας ηλεκτρονίων-HEMT (με τη μέθοδο MOCVD). Στην περίπτωση (α), η ανάλυση των εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας έδειξε οτι επιτεύχθηκε μία λεία-καλής ποιότητας διεπιφάνεια SiO2/4H-SiC (μετά την χημική-μηχανική επιπεδοποίηση-CMP), χωρίς να παρουσιάζει ατέλειες (προκαλούμενες από την επιταξιακή ανάπτυξη). Στη δεύτερη περίπτωση (β), η επιφάνεια της AlGaN/GaN ετεροεπαφής, ανεπτυγμένης σε υποστρώματα SiC 2 deg-off, εμφάνισε την καλύτερη μορφολογία (επίπεδη), παρόλη την ύπαρξη των βαθμίδων, παρουσιάζοντας ταυτόχρονα αυξημένη ευκινησία φορέων. Σε τελικό στάδιο, η ποσοτική ανάλυση των μικρογραφημάτων υψηλής διακριτικής ικανότητας επέτρεψε την ανοικοδόμηση προτύπων δομής για την περιοχή των βαθμίδων (περιπτώσεις με ασήμαντη αλλά και έντονη παραμόρφωση) στη διεπιφάνεια AlN/SiC. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσίασαν καλή ταύτιση με τα πειραματικά αποτελέσματα, επιβεβαιώνοντας την εγκυρότητα των προτεινόμενων μοντέλων. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της διατριβής αυτής έδειξαν οτι η GaN ετεροεπιταξία και η SiC ομοεπιταξία μπορούν να εισαχθούν επιτυχώς σε 2 deg-off SiC υποστρώματα, ανοίγοντας τον δρόμο για τη μονολιθική ενσωμάτωση και των δύο τύπων διατάξεων σε μία κοινή πλατφόρμα από SiC.