Crack-free AlN films with threading dislocation density (TDD) below 109 cm−2 are needed for deep-UV optoelectronics. This is typically achieved using pulsed lateral overgrowth or very thick buffer layers (>10 μm), a costly and time-consuming approach. A method for conventional metalorganic chemical vapor deposition growth of AlN/SiC films below 3 μm with greatly improved quality is presented. Focusing on substrate pretreatment before growth, we reduce average film stress from 0.9 GPa (tension) to −1.1 GPa (compression) and eliminate cracking. Next, with optimized growth conditions during initial deposition, AlN films with x-ray rocking curve widths of 123 arc-sec (0002) and 304 arc-sec (202¯1) are developed, and TDD is confirmed via plan view transmission electron microscopy (TEM) to be 2 × 108 cm−2. Film stress measurements including x-ray 2θ-ω, reciprocal space mapping, and curvature depict compressively stressed growth of AlN on 4H-SiC due to lattice mismatch. The thermal expansion coefficient mismatch between AlN and SiC is measured to be Δα=αAlNαSiC=1.13×106°C1 and is found to be constant between room temperature and 1400 °C. TEM confirms the existence of dense misfit dislocation (MD) networks consistent with MD formation near SiC step edges and low MD density regions attributed to nearly coherent AlN growth on SiC terraces. These low-TDD, crack-free AlN/SiC buffers provide a platform for deep-UV optoelectronics and ultrawide bandgap electronics.

1.
K.
Song
,
M.
Mohseni
, and
F.
Taghipour
,
Water Res.
94
,
341
(
2016
).
2.
A.
Khan
,
K.
Balakrishnan
, and
T.
Katona
,
Nat. Photonics
2
,
77
(
2008
).
3.
P. B. P.
Mukish
,
Following the UV Curing Boom, Disinfection and Purification Applications Are Finally Ready to Take Off
(
Lyon
,
2016
).
4.
D.
Li
,
K. J.
Jiang
,
X.
Sun
, and
C.
Guo
,
Adv. Opt. Photonics
10
,
43
(
2018
).
5.
T. C.
Zheng
,
W.
Lin
,
R.
Liu
,
D. J.
Cai
,
J. C.
Li
,
S. P.
Li
, and
J. Y.
Kang
,
Nat. Sci. Rep.
6
,
1
(
2016
).
6.
M. A.
Khan
,
M.
Shatalov
,
H. P.
Maruska
,
H. M.
Wang
, and
E.
Kuokstis
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
7191
(
2005
).
7.
X.
Wu
,
P.
Fini
,
E.
Tarsa
,
B.
Heying
,
S.
Keller
,
U.
Mishra
,
S.
DenBaars
, and
J.
Speck
,
J. Cryst. Growth
189–190
,
231
(
1998
).
8.
S.
Nakamura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
30
,
L1705
(
1991
).
9.
R.
Jain
,
W.
Sun
,
J.
Yang
,
M.
Shatalov
,
X.
Hu
,
A.
Sattu
,
A.
Lunev
,
J.
Deng
,
I.
Shturm
,
Y.
Bilenko
,
R.
Gaska
, and
M. S.
Shur
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
051113
(
2008
).
10.
M.
Imura
,
K.
Nakano
,
T.
Kitano
,
N.
Fujimoto
,
G.
Narita
,
N.
Okada
,
K.
Balakrishnan
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
K.
Shimono
,
T.
Noro
,
T.
Takagi
, and
A.
Bandoh
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
221901
(
2006
).
11.
P.
Dong
,
J.
Yan
,
J.
Wang
,
Y. Y.
Zhang
,
C.
Geng
,
T.
Wei
,
P.
Cong
,
Y. Y.
Zhang
,
J.
Zeng
,
Y.
Tian
,
L.
Sun
,
Q.
Yan
,
J.
Li
,
S.
Fan
, and
Z.
Qin
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
241113
(
2013
).
12.
Z.
Chen
,
R. S.
Qhalid Fareed
,
M.
Gaevski
,
V.
Adivarahan
,
J. W.
Yang
,
A.
Khan
,
J.
Mei
, and
F. A.
Ponce
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
081905
(
2006
).
13.
M.
Imura
,
K.
Nakano
,
G.
Narita
,
N.
Fujimoto
,
N.
Okada
,
K.
Balakrishnan
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
T.
Noro
,
T.
Takagi
, and
A.
Bandoh
,
J. Cryst. Growth
298
,
257
(
2007
).
14.
S.
Hagedorn
,
S.
Walde
,
A.
Mogilatenko
,
M.
Weyers
,
L.
Cancellara
,
M.
Albrecht
, and
D.
Jaeger
,
J. Cryst. Growth
512
,
142
(
2019
).
15.
K.
Uesugi
,
Y.
Hayashi
,
K.
Shojiki
,
S.
Xiao
,
K.
Nagamatsu
,
H.
Yoshida
, and
H.
Miyake
,
J. Cryst. Growth
510
,
13
(
2019
).
16.
K.
Uesugi
,
Y.
Hayashi
,
K.
Shojiki
, and
H.
Miyake
,
Appl. Phys. Express
12
,
065501
(
2019
).
17.
T.
Takano
,
T.
Mino
,
J.
Sakai
,
N.
Noguchi
,
K.
Tsubaki
, and
H.
Hirayama
,
Appl. Phys. Express
10
,
031002
(
2017
).
18.
M.
Imura
,
H.
Sugimura
,
N.
Okada
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
, and
A.
Bandoh
,
J. Cryst. Growth
310
,
2308
(
2008
).
19.
H.
Hirayama
,
T.
Yatabe
,
N.
Noguchi
,
T.
Ohashi
, and
N.
Kamata
,
Phys. Status Solidi C
5
,
2969
(
2008
).
20.
S.
Kitagawa
,
H.
Miyake
, and
K.
Hiramatsu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
05FL03
(
2014
).
21.
H.
Okumura
,
T.
Kimoto
, and
J.
Suda
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
071603
(
2014
).
22.
J.
Zhang
,
Y.
Gao
,
L.
Zhou
,
Y.-U.
Gil
, and
K.-M.
Kim
,
Proc. SPIE
10940
,
1
(
2019
).
23.
P.
Reddy
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
J.
Tweedie
,
S.
Washiyama
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
091603
(
2015
).
24.
A. E.
Romanov
,
G. E.
Beltz
,
P.
Cantu
,
F.
Wu
,
S.
Keller
,
S. P.
Denbaars
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
161922
(
2006
).
25.
J.
Han
,
K. E.
Waldrip
,
S. R.
Lee
,
J. J.
Figiel
,
S. J.
Hearne
,
G. A.
Petersen
, and
S. M.
Myers
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
67
(
2001
).
26.
K.
Balakrishnan
,
A.
Bandoh
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
, and
I.
Akasaki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
46
,
L307
L310
(
2007
).
27.
P.
Cantu
,
F.
Wu
,
P.
Waltereit
,
S.
Keller
,
A. E.
Romanov
,
U. K.
Mishra
,
S. P.
DenBaars
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
674
(
2003
).
28.
A. E.
Romanov
and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2569
(
2003
).
29.
T.
Böttcher
,
S.
Einfeldt
,
S.
Figge
,
R.
Chierchia
,
H.
Heinke
,
D.
Hommel
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
1976
(
2001
).
30.
I. C.
Manning
,
X.
Weng
,
J. D.
Acord
,
M. A.
Fanton
,
D. W.
Snyder
, and
J. M.
Redwing
,
J. Appl. Phys.
106
,
023506
(
2009
).
31.
P.
Cantu
,
F.
Wu
,
P.
Waltereit
,
S.
Keller
,
A. E.
Romanov
,
S. P.
DenBaars
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
97
,
103534
(
2005
).
32.
M.
Hawkridge
,
D.
Cherns
, and
T.
Myers
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
251915
(
2006
).
33.
S. K.
Mathis
,
A. E.
Romanov
,
L. F.
Chen
,
G. E.
Beltz
,
W.
Pompe
, and
J. S.
Speck
,
J. Cryst. Growth
231
,
371
(
2001
).
34.
Y.
Taniyasu
,
M.
Kasu
, and
T.
Makimoto
,
J. Cryst. Growth
298
,
310
(
2007
).
35.
S.
Tanaka
,
R. S.
Kern
, and
R. F.
Davis
,
Appl. Phys. Lett.
66
,
37
(
1995
).
36.
J. Y.
Tsao
,
Materials Fundamentals of Molecular Beam Epitaxy
(
Academic Press, Inc
.,
San Diego
,
1993
).
37.
H. M.
Foronda
,
F.
Wu
,
C.
Zollner
,
M. E.
Alif
,
B.
Saifaddin
,
A.
Almogbel
,
M.
Iza
,
S.
Nakamura
,
S. P.
DenBaars
, and
J. S.
Speck
,
J. Cryst. Growth
483
,
134
(
2018
).
38.
C. G.
Moe
,
Y.
Wu
,
S.
Keller
,
J. S.
Speck
,
S. P.
DenBaars
, and
D.
Emerson
,
Phys. Status Solidi
203
,
1708
(
2006
).
39.
B. K.
Saifaddin
,
A.
Almogbel
,
C. J.
Zollner
,
H.
Foronda
,
A.
Alyamani
,
A.
Albadri
,
M.
Iza
,
S.
Nakamura
,
S. P.
Denbaars
, and
J. S.
Speck
,
Semicond. Sci. Technol.
34
,
035007
(
2019
).
40.
B.
Saifaddin
,
C. J.
Zollner
,
A.
Almogbel
,
F.
Wu
,
A.
Albadri
,
A.
Al Yamani
,
M.
Iza
,
S.
Nakamura
,
S. P.
Denbaars
, and
J. S.
Speck
,
Proc. SPIE
10554
,
1E
(
2018
).
41.
B. K.
Saifaddin
,
M.
Iza
,
H.
Foronda
,
A.
Almogbel
,
C. J.
Zollner
,
F.
Wu
,
A.
Alyamani
,
A.
Albadri
,
S.
Nakamura
,
S. P.
DenBaars
, and
J. S.
Speck
,
Opt. Express
27
,
A1074
(
2019
).
42.
S.
Keller
,
N. A.
Fichtenbaum
,
F.
Wu
,
D.
Brown
,
A.
Rosales
,
S. P.
DenBaars
,
J. S.
Speck
, and
U. K.
Mishra
,
J. Appl. Phys.
102
,
083546
(
2007
).
43.
J.
Lemettinen
,
H.
Okumura
,
I.
Kim
,
M.
Rudzinski
,
J.
Grzonka
,
T.
Palacios
, and
S.
Suihkonen
,
J. Cryst. Growth
487
,
50
(
2018
).
44.
Z.
Chen
,
S.
Newman
,
D.
Brown
,
R.
Chung
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
,
S. P.
Denbaars
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
191906
(
2008
).
45.
M.
Dudley
,
X.
Huang
, and
W. M.
Vetter
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
36
,
A30
(
2003
).
46.
R. S.
Okojie
,
T.
Holzheu
,
X.
Huang
, and
M.
Dudley
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
1971
(
2003
).
47.
J.
Ruska
,
L. J.
Gauckler
,
J.
Lorenz
, and
H. U.
Rexer
,
J. Mater. Sci.
14
,
2013
(
1979
).
48.
H.
Okumura
, “
Formation mechanism of extended defects in AlN grown on SiC {0001} and their reduction by initial growth control
,” Doctoral dissertation (
Kyoto University
,
2012
).
49.
Z.
Li
and
R. C.
Bradt
,
J. Appl. Phys.
60
,
612
(
1986
).
50.
W. M.
Yim
and
R. J.
Paff
,
J. Appl. Phys.
45
,
1456
(
1974
).
51.
L. B.
Freund
and
S.
Suresh
,
Thin Film Materials: Stress, Defect Formation, and Surface Evolution
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2003
).
52.
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
(
1995
).
53.
S.
Yamada
,
J. I.
Kato
,
S.
Tanaka
,
I.
Suemune
,
A.
Avramescu
,
Y.
Aoyagi
,
N.
Teraguchi
, and
A.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
3612
(
2001
).
54.
H.
Okumura
,
T.
Kimoto
, and
J.
Suda
,
Appl. Phys. Express
5
,
105502
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.