Mô phỏng strain nhiệt trong màng tinh thể AlN được chế tạo trên đế AlN/α-Al2O3 sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Strain nhiệt do sự khác nhau về thông số nhiệt giữa AlN và α-Al2O3 trong màng tinh thể AlN được chế tạo trên đế AlN/α-Al2O3 đã được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS.

UED Journal of Sciences, Humanities & Education – ISSN 1859 - 4603 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC Nhận bài: 20 – 08 – 2016 Chấp nhận đăng: 28 – 09 – 2016 http://jshe.ued.udn.vn/ MÔ PHỎNG STRAIN NHIỆT TRONG MÀNG TINH THỂ AlN ĐƯỢC CHẾ TẠO TRÊN ĐẾ AlN/α-Al2O3 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Đinh Thành Khẩn Tóm tắt: Strain nhiệt khác thông số nhiệt AlN -Al2O3 màng tinh thể AlN chế tạo đế AlN/-Al2O3 mô phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS Các kết mô strain nhiệt phân bố cách tuần hoàn dọc theo hướng tinh thể [1120] màng AlN, tương ứng với tuần hoàn kết cấu tạo rãnh đế AlN/-Al2O3 Strain nhiệt giảm đáng kể xung quanh khoảng trống (void) tạo bên màng tinh thể AlN trình mọc ngang tinh thể AlN đế AlN/-Al2O3 tạo rãnh Các kết mô việc sử dụng đế tạo rãnh làm giảm đáng kể strain nhiệt màng tinh thể thông qua tạo thành void Từ khóa: strain nhiệt; màng tinh thể AlN; ANSYS; phương pháp phần tử hữu hạn; FEM Giới thiệu Aluminum nitride (AlN) thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu lĩnh vực phát triển LED, LASER, thiết bị điện tử tần số cao… tính chất trội chúng độ cứng độ dẫn nhiệt cao, khả chịu nhiệt cao… AlN kết hợp với GaN để tạo thành AlxGa1-xN, sử dụng thiết bị quang điện có bước sóng ngắn [1-4] Do tinh thể AlN dạng khối khơng có sẵn tự nhiên, người ta thường chế tạo tinh thể AlN dạng màng đế có sẵn -Al2O3 SiC phương pháp mọc ghép pha hữu kim loại mọc ghép pha hiđrua [5-7] Tuy nhiên, khơng tương thích thông số mạng nhiệt AlN vật liệu làm đế, màng tinh thể AlN sau chế tạo thường bị co giãn ô sở (strain), khuyết tật, uốn cong mặt mạng [8, 9] Gần người ta phát việc tạo rãnh phân bố cách tuần hoàn đế -Al2O3 SiC nâng cao nhiều chất lượng màng * Liên hệ tác giả Đinh Thành Khẩn Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng Email: dtkhan@ued.udn.vn tinh thể AlN [10-12] Tuy nhiên, phân bố strain màng tinh thể AlN chưa làm sáng tỏ Hơn nữa, thông qua phép đo thực nghiệm nhiễu xạ tia X phổ tán xạ Raman, thu strain ảnh hưởng tất yếu tố khơng tương thích thông số nhiệt mạng… Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm ANSYS để mô phân bố strain nhiệt màng tinh thể AlN chế tạo đế AlN/-Al2O3 tạo rãnh Việc làm sáng tỏ phân bố strain nhiệt khơng tương thích thơng số nhiệt AlN -Al2O3 cung cấp thơng tin hữu ích cho nhà nghiên cứu thực nghiệm việc tìm giải pháp để hạn chế ảnh hưởng thông số nhiệt việc chế tạo màng tinh thể AlN chất lượng cao Xây dựng mơ hình mơ Hệ thống phân tích cấu trúc tĩnh (static structural analysis system) phần mềm ANSYS sử dụng để mô phân bố strain nhiệt màng tinh thể AlN chế tạo đế tạo rãnh AlN/-Al2O3 Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) màng tinh thể AlN chế tạo đế tạo rãnh AlN/-Al2O3 phương pháp mọc ghép pha Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 6, số (2016), 17-21 | 17 Đinh Thành Khẩn hiđrua nhiệt độ 1500C Hai loại void (khoảng trống) chạy dọc theo hướng tinh thể [1100] với kích thước theo phương thẳng đứng khác phân bố cách void, tác giả sử dụng chức “finer mesh” hệ thống phân tích cấu trúc tĩnh xung quanh void, quan sát Hình tuần hồn dọc theo hướng tinh thể [1120] Dựa vào ảnh SEM mẫu vật liệu chế tạo, tác giả xây dựng mơ hình tương ứng để mơ phân bố strain nhiệt màng tinh thể AlN đế tạo rãnh AlN/-Al2O3 Hình mơ hình phần tử hữu hạn ba chiều màng tinh thể AlN đế tạo rãnh AlN/-Al2O3 Chiều dày màng tinh thể AlN đế -Al2O3 15m 400m Kích thước void 0.30m  2.50m 0.20m  1.75m Cấu hình kích thước mơ hình Hình tương ứng với cấu hình kích thước màng tinh thể AlN chế tạo thực nghiệm Để thu kết mơ xác phân bố strain nhiệt quanh Hình Ảnh SEM màng tinh thể AlN đế tạo rãnh AlN/-Al2O3 Hình Mơ hình phần tử hữu hạn màng tinh thể AlN đế tạo rãnh AlN/-Al2O3 Type I II hai loại void với kích thước khác hình thành màng AlN Hình Hệ số nở nhiệt hướng a (a) c (c) (a) AlN (b) -Al2O3 Để mô strain nhiệt màng tinh thể AlN đế tạo rãnh AlN/-Al2O3, tác giả sử dụng hệ 18 số nở nhiệt phụ thuộc nhiệt độ số đàn hồi AlN -Al2O3 thông số đầu vào hệ ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 6, số (2016), 17-21 thống phân tích [13-17] Hình miêu tả phụ thuộc vào nhiệt độ hệ số nở nhiệt AlN -Al2O3 Các số đàn hồi AlN -Al2O3 thể Bảng Sự thay đổi nhiệt độ từ nhiệt độ chế tạo AlN, 1500C, đến nhiệt độ phòng sử dụng tải (load) hệ thống phân tích Do tính đối xứng quanh hướng [0001] màng AlN, phần tư màng AlN mô việc chọn mặt bên trái mặt sau mơ hình làm mặt đối xứng điều kiện biên hệ thống phân tích Bảng Hằng số đàn hồi AlN -Al2O3 Suất Young Tỉ số Poisson AlN 354 GPa 0.22 -Al2O3 345 GPa 0.33 Kết thảo luận Hình miêu tả phân bố strain nhiệt hướng [0001], [1100] [1120] ( ε 0001 , hướng [1100] [1120] để cân co màng đế mẫu vật liệu đưa nhiệt độ phòng sau chế tạo [18,19] Do đó, strain nhiệt âm xuất màng AlN dọc theo hướng [1100] [1120] Theo hiệu ứng Poisson, vật liệu bị nén theo phương đó, giãn theo phương cịn lại Do đó, strain nhiệt màng AlN dương hướng [0001] Cũng từ Hình thấy dọc theo hướng từ màng phía biên, strain nhiệt hướng trở nên giảm đáng kể Sự giảm strain nhiệt gần biên màng chế uống cong lên màng AlN gần phía biên, quan sát Hình 4, tác dụng lực nén khơng tương thích trình co lại màng đế Từ Hình 4(a) 4(c), thấy strain nhiệt hướng [0001] [1120] , ε 0001 ε1120 , phân bố ε1100 , cách tuần hoàn dọc theo hướng [1120] , tương ứng với ε1120 ) Chúng ta thấy strain nhiệt dương xếp tuần hoàn rãnh đế AlN/-Al2O3 void màng tinh thể AlN Hơn nữa, strain nhiệt giảm đáng kể xung quanh void Ngược lại, phân bố strain nhiệt hướng hướng [0001] âm hướng [1100] [1120] Dọc theo hướng [1100] [1120] , hệ số nở nhiệt αa màng AlN Dọc theo hướng [1100] [1120] , hệ số nở nhiệt αa màng AlN nhỏ hệ số nở nhiệt -Al2O3, co lại màng AlN trình làm lạnh từ nhiệt độ chế tạo 1500C đến nhiệt độ phòng chậm so với co lại đế -Al2O3 Như kết quả, lực nén tác dụng vào màng AlN dọc theo [1100] , ε1100 , khơng phụ thuộc vào lối tuần hồn rãnh đế có mặt void màng AlN Các kết mô cho ta thấy tạo thành void sử dụng đế tạo rãnh AlN/Al2O3 có ảnh hưởng lớn đến phân bố strain nhiệt màng AlN Hình Sự phân bố strain nhiệt (a) ε 0001 , (b) ε1100 (c) ε1120 19 Đinh Thành Khẩn Hình Sự thay đổi strain nhiệt (a) ε 0001 , (b) ε1100 Để thấy rõ ảnh hưởng void đến strain ε 0001 ε1120 , thay đổi train nhiệt ε 0001 , ε1100 , ε1120 theo phương z  [0001] (đường nhiệt nét đứt màu trắng ảnh Hình 4) mặt giới hạn màng đế đến bề mặt màng AlN vẽ thể Hình Từ Hình 5(a) 5(c), dễ dàng thấy strain nhiệt ε 0001 ε1120 giảm đáng kể xung quanh void Đặc biệt quanh void gần mặt giới hạn màng đế, màng AlN không bị strain nhiệt hướng [0001] [1120] Ngược lại, nhìn thấy Hình 5(b), xuất void không ảnh hưởng đến strain nhiệt hướng [1100] Từ kết mơ phỏng, thấy xuất void sử dụng đế tạo rãnh đóng vai trị chế để làm giảm strain nhiệt hướng vng góc với hướng void màng tinh thể Kết luận Strain nhiệt khác thông số nhiệt AlN -Al2O3 màng tinh thể AlN chế tạo đế AlN/-Al2O3 mô phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS Các kết mô strain nhiệt phân bố cách tuần hoàn dọc theo hướng tinh thể [1120] màng AlN, tương ứng với xếp tuần hoàn void màng AlN Strain nhiệt hướng vng góc với void giảm đáng kể xung quanh void Các kết mô xuất void sử dụng đế tạo rãnh đóng vai trị 20 (c) ε1120 dọc theo hướng z  [0001] chế để làm giảm strain nhiệt hướng vng góc với hướng void màng tinh thể Tài liệu tham khảo [1] Y Taniyasu, M Kasu, and T Makimoto (2006), “An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres”, Nature (London), 441, 325-328 [2] H Hirayama, S Fujikawa, N Noguchi, J Norimatsu, T Takano,K Tsubaki, and N Kamata (2009), “222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire”, Phys Status Solidi A, 206, 1176-1182 [3] R McClintock, A Yasan, K Mayes, D Shiell, S R Darvish, P Kung, and M Razeghi (2004), “High quantum efficiency AlGaN solar-blind p-in photodiodes”, Appl Phys Lett., 84, 1248-1250 [4] L M Sheppard (1990), “Aluminum nitride: A versatile but challenging material”, Am Ceram Soc Bull., 69, 1801-1812 [5] Y Katagiri, S Kishino, K Okuura, H Miyake, K Hiramatu (2009), “Low-pressure HVPE growth of crack-free thick AlN on a trenchpatterned AlN template”, J Cryst Growth, 311, 2831-2833 [6] S A Newman, D S Kamber, T J Baker, Y Wu, F Wu, Z Chen, S Namakura, J S Speck, and S P DenBaars (2009), “Lateral epitaxial overgrowth of (0001) AlN on patterned sapphire using hydride vapor phase epitaxy”, Appl Phys Lett., 94, 121906 [7] M Imura, K Nakano, N Fujimoto, N Okada, K Balakrishnan, M Iwaya, S Kamiyama, H Amano, I Akasaki, T Noro, T Takagi, and A Bandoh (2006), “High-temperature metal-organic vapor phase epitaxial growth of AlN on sapphire by multi transition growth mode method varying V/III ratio”, Jpn J Appl Phys., 45, 8639–8643 ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 6, số (2016), 17-21 [8] L W Sang, Z X Qin, H Fang, T Dai, Z J Yang, B Shen, G Y Zhang, X P Zhang, J Xu, and D P Yu (2008), “Reduction in threading dislocation densities in AlN epilayer by introducing a pulsed atomic-layer epitaxial buffer layer”, Appl Phys Lett., 93, 122104 [9] K Hiramatsu, T Detchprom, and I Akasaki, (1993), “Relaxation mechanism of thermal strain in heterostructure of GaN grown on sapphire by vapor phase epitaxy”, Jpn J Appl Phys., 32, 1528-1533 [10] K Nakano, M Imura, G Narita, T Kitano, Y Hirose, N Fujimoto, N Okada, T Kawashima, K Iida, K Balakrishnan, M Tsuda, M Iwaya, S Kamiyama, H Amano, I Akasaki, (2006), “Epitaxial lateral overgrowth of AlN layers on patterned sapphire substrates”, Phys Status Solidi A, 203, 1632-1635 [11] Z Chen, R S Q Fareed, M Gaevski, V Adivarahan, J W Yang, A Khan, J Mei, F A Ponce (2006), “Pulsed lateral epitaxial overgrowth of aluminum nitride on sapphire substrates”, Appl Phys Lett., 89, 081905 [12] J Mei, F A Ponce, R S Q Fareed, J W Yang, A Khan (2007), “Dislocation generation at the coalescence of aluminum nitride lateral epitaxy on shallow-grooved sapphire substrates”, Appl Phys Lett., 90, 221909 [13] S Figge, H Kröncke, D Hommel, and B M Epelbaum (2009) , “Temperature dependence of the thermal expansion of AlN”, Appl Phys Lett 94, 101915 [14] E R Dobrovinskaya, L A Lytvynov, and V pishchik (2009), “Sapphire: material, manufacturing and applications”, Springer Science + Business Media, LLC [15] C Deger, E Born, H Angerer, O Ambacher, M Stutzmann, J Hornsteiner, E Riha, and G Fischerauer (1998), “Sound velocity of AlxGa1xN thin films obtained by surface acoustic-wave measurements”, Appl Phys Lett 72, 2400-2402 [16] R Langer, A Barski, A Barbier, G Renaud, M Leszczynski, I Grzegory, and S Porowski (1999), “Strain relaxation in AlN epitaxial layers grown on GaN single crystals”, J Cryst Growth 205, 31-35 [17] K Hiramatsu, T Detchprom, I Akasaki (1993), “Relaxation mechanism of thermal stress in the heterostructure of GaN grown on sapphire by vapor phase epitaxy”, Jpn J Appl Phys 32, 1528-1533 [18] G.H Olsen, M Ettenberg (1977), “Calculated stresses in multilayered heteroepitaxial structures”, J Appl Phys 48, 2543–2547 [19] K Hiramatsu, T Detchprom, I Akasaki (1993), “Relaxation mechanism of thermal stresses in the heterostructure of GaN grown on sapphire by vapor phase epitaxy”, Jpn J Appl Phys 32, 1528–1533 SIMULATION OF THERMAL STRAIN IN AlN CRYSTALLINE FILM GROWN ON A TRENCH-PATTERNED AlN/-Al2O3 TEMPLATE USING THE FINITE ELEMENT METHOD Abstract: Thermal strain that results from differences in thermal parameters between AlN and -Al2O3 in an AlN crystalline film grown on a trench-patterned AlN/-Al2O3 template has been simulated via the finite element method using the sotfware ANSYS The simulation results show that the thermal strain is distributed in circulation along the [1120] direction in correspondence with the circulation of the trench-patterned structure of the AlN/-Al2O3 template The thermal strain reduces considerably around voids formed in crystalline AlN films due to the horizontal overgrowth of AlN crystals on the trench-paterned AlN/-Al2O3 template The simulation results clearly indicate that the use of trench-patterned templates has significantly reduced the thermal strain in crystalline films through the formation of voids Key words: thermal strain; AlN crystalline film; ANSYS; finite element method; FEM 21 ... thước màng tinh thể AlN chế tạo thực nghiệm Để thu kết mơ xác phân bố strain nhiệt quanh Hình Ảnh SEM màng tinh thể AlN đế tạo rãnh AlN/ -Al2O3 Hình Mơ hình phần tử hữu hạn màng tinh thể AlN đế tạo. .. thông số nhiệt AlN -Al2O3 màng tinh thể AlN chế tạo đế AlN/ -Al2O3 mô phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS Các kết mô strain nhiệt phân bố cách tuần hoàn dọc theo hướng tinh thể [1120]... hướng tinh thể [1120] Dựa vào ảnh SEM mẫu vật liệu chế tạo, tác giả xây dựng mơ hình tương ứng để mơ phân bố strain nhiệt màng tinh thể AlN đế tạo rãnh AlN/ -Al2O3 Hình mơ hình phần tử hữu hạn