パルスアトミックを使用したシリコン(111)上の窒化ガリウムの強化

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Jan 17, 2024

パルスアトミックを使用したシリコン(111)上の窒化ガリウムの強化

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8793 (2023) この記事を引用

302 アクセス

メトリクスの詳細

GaN 成長に最適なバッファ層を構成できるかどうかは、GaN と Si(111) 基板間の熱膨張係数のコントラストによる引張応力に対抗しながら、冷却ステップ中に発生する緩和プロセスの知識に依存します。 ここでは、パルス原子層エピタキシー (PALE) AlN 層を導入してバッファ層を強化し、高性能パワーデバイスに不可欠な厚い GaN エピ層を実現します。 0~100nmの厚さのPALE AlNに基づくSi基板上に成長したGaNの特性を、AlN NLと組成傾斜AlGaNバッファ層の間の微細構造の進化とともに研究した。 50 nm 以上の最適な厚さで堆積された PALE AlN 層は、二乗平均平方根 (RMS) 粗さが 0.512 nm の非常に均一な合体 GaN エピ層表面を示すことが観察されました。 PALE AlN 層の厚さは、対称 (0 0 0 2) および非対称 (1 0 -1 2) の X 線ロッキングカーブ解析の最低値が達成された上部 GaN エピ層の結晶性に実質的に影響を及ぼし、成長構造内の貫通転位密度。 ラマン スペクトルの E2 (高) ピークの遷移は、GaN エピ層の歪み圧縮が PALE AlN 層の厚さに正比例していることを示しています。

高い電子移動度、高い降伏電界、広いバンドギャップ (3.4 eV)、高い電子飽和ドリフト速度、優れた熱安定性などの利点を考慮すると、窒化ガリウム (GaN) は高出力および高周波のアプリケーションにとって重要な選択肢と考えられています。電子デバイス、発光ダイオード (LED) およびレーザー ダイオード 1、2。 GaN は通常、サファイア、SiC、および Si 基板上に成長します。 シリコン上でこの成長を達成するために同じ製造インフラストラクチャを引き続き使用できるため、高価な生産拠点の要件が軽減され、低コストで容易に入手できる大口径シリコン ウェーハを活用できます。 並行して、Si 基板上の GaN 電子デバイスの改良により、主要な困難の多くが克服されているようです 3。

これまでのレポートでは、Si 構造上の GaN の成長では、2 段階の窒化アルミニウム (AlN)4、窒化アルミニウム ガリウム (AlGaN) の傾斜バッファ層 (BL) などの中間層を導入することで、大きな外部歪みを補償する歪みエンジニアリングに焦点を当ててきました。 )5、AlN/GaN 歪み層超格子 (SLS)6、窒化物 7 や基板のイオン注入 8 などのいくつかの新しい方法。 Si 基板上にクラックのない高品質の GaN エピタキシャル膜を得るには、最初のバッファ層である高品質の AlN 核生成層 (NL) が不可欠です。 AlN 層は、Si 原子と Ga 原子の間のメルトバック エッチング反応を防ぐことができ、エピタキシャル成長全体を開始できるこの機能が、AlN が最も適切な材料の 1 つである理由の 1 つです。 さらに、AlN の面内格子定数 (3.112 Å) は GaN (3.189 Å) よりも小さいため、GaN エピタキシャル層 9 に圧縮応力が生じます。 最終的には、同じ MOCVD システム内で AlN を成長させることができるため、時間とコストの削減に非常に役立ちます。

最近、パルス原子層エピタキシー (PALE) 法による単結晶 AlN 層の成長に関する優れた研究が報告されています 10、11、12、13。 TMAl と NH3 前駆体間の寄生反応は、PALE AlN 層の成長によって回避できると同時に、基板表面上の Al 吸着原子の移動を促進できることが提案されました。 したがって、従来の MOCVD システムにより、従来の成長温度以下で、貫通転位密度 (TDD) が低く、滑らかで平坦な表面を備えた高品質の AlN エピ層を実現できます14。 ほとんどの研究は c 面サファイア基板について行われていますが、Altuntas et al. は、PALE AlN 成長温度が Si(111) の品質に及ぼす影響を調査しました 15。 成長温度を上昇させると結晶性が向上し、同時に成長モードが 2D のような外観から柱状の組織に変化すると結論づけました。 この重要な結果は、比較的低温で成長した AlN NL を利用した、Si(111) 上の GaN 成長をさらに強化するための基礎となります。

この研究では、Si(111) 基板上の厚い GaN エピ層の前に、AlN NL と組成傾斜型 AlGaN バッファ層の間に挟まれた PALE AlN 層を提案します。 これら 4 つのサンプルを検査することにより、エピタキシャル表面、界面形態、結晶品質、GaN エピ層の応力/歪み状態に対する PALE AlN のさまざまな厚さの影響が調査されました。

このエピタキシャル成長には結晶方位が(111)の2インチSi基板を用いた。 エピタキシャルプロセスは、ガスキャリアとして水素 (H2) の連続流を備えた横型反応器を備えた大陽日酸 MOCVD システム SR2000 で実行され、成長プロセスを開始するためのサブフローガスとして窒素 (N2) が利用されました。基板。 トリメチルガリウム (TMG) とトリメチルアルミニウム (TMAl) は III 族前駆体として使用され、NH3 は V 族反応物質として使用されました。 Si 基板の洗浄プロセスは、最初にアセトンとイソプロパノールを使用した有機洗浄から構成され、最後に 2 分間のフッ化水素浸漬で終了しました。 次いで、基板を脱イオン水ですすいだ後、窒素ガンでパージした。

このアプローチには、核生成層 (NL) の成長、組成傾斜型 AlGaN バッファ層、およびドープされていない ud-GaN の成長からなる 5 つのステップがあります。 まず、基板表面に劣化を引き起こすことなく自然に発生する酸化物を除去するために、基板を H2 流下で 1000 °C 以上の温度でベーキングしました 16。 第二に、約 160 nm の AlN NL が堆積され、それによって TMAl と NH3 ソースが 1030 °C で約 0.302 nm/s の成長速度で反応器に同時に流されました。 続いて、パルス原子層エピタキシー(PALE)法を使用して、1180℃の温度でAlN NLの上に追加のAlNバッファ層を成長させました。 図1aに示すように、所望の厚さが達成されるまで、TMAlとNH3をそれぞれtAl 4秒間およびtN 2秒間、交互に反応器に供給しました。 TMAl 供給中のこの 4 秒のウィンドウは、Al リッチな環境を効果的に作り出し、AlN NL 層として c 面方向に成長を伝播させます 17。 PALE に使用される両方のガスの流量は、AlN 薄膜の成長速度が 1.4 サイクル (8.4 秒) あたり約 1 nm と推定されるように固定されました。 上部 GaN エピ層に対する PALE AlN 膜厚の影響を調べるために、PALE サイクルを変化させて、厚さ 0 nm (サンプル A)、25 nm (サンプル B)、50 nm (サンプル C) の PALE 層を成長させました。および100nm(サンプルD)。 次に、引張ひずみにさらに対抗するために、Al 組成を減少させた 5 層の組成傾斜型 AlGaN バッファを合計約 620 nm まで AlN 層の上に成長させ、GaN 成長構造上の亀裂の形成を防ぎます 5、18、19。 最後に、第 5 ステップでは、1130 °C の温度で 500 nm ud-GaN 層が成長し、エピタキシャル膜の全体構造が図 1b で明らかにされました。 PALE AlN の厚さ 0 nm、25 nm、50 nm、100 nm で作成した 4 つのサンプルをそれぞれ A、B、C、D とラベル付けします。

(a) TMAl と NH3 を利用したパルスフロー堆積の一連のグラフ。(b) エピタキシャル成長構造の概略設計。

サンプルの表面形態は、Hitachi SU8220 電界放射型走査電子顕微鏡 (FESEM) および Park System (NX10 モデル) 原子間力顕微鏡 (AFM) によって特徴付けられました。 サンプルの結晶品質は、対称および非対称回折の X 線ロッキングカーブ (XRC) を含む、Cu Kα1 X 線ターゲット線源を使用する Riraku Smartlab 高分解能 X 線回折 (HR-XRD) を使用して調査されました。 ラマン (Renishaw inVia ラマン顕微鏡) 散乱測定を使用して、フィルム内の応力を研究しました。

PALE AlN の厚さが最適化されると、Si 上の GaN 構造の表面形態が改善され、AFM の結果が図 2a ~ d に示されています。 0、25、50、および100 nmの厚さのさまざまなPALE AlNの表面形態研究が、それぞれA、B、C、およびDとラベル付けされたサンプルの二乗平均平方根表面粗さで示されています。 サンプル A では、表面領域の深さが異なることを示す明らかな色のコントラストを持つ境界の存在が観察されます。 PALE AlN の厚さが導入され、サンプル B から D に増加するにつれて、境界の存在は減少します。 それらの GaN エピ層表面は完全に融合しており、滑らかな表面を示しています。 ただし、最も厚い PALE AlN バッファ層を備えたサンプル D は、サンプル C と比較して RMS 粗さ値が 0.796 nm と高くなりました。これは、PALE AlN バッファ層がすでに臨界厚さを超えたため、より粗い表面と亀裂が形成されたためです。 傾斜した AlN と AlGaN の間の界面は部分的に緩和され、AlN 核生成層による圧縮応力が減少します。 構造全体が熱膨張の不一致に対抗できなかったため、冷却中に亀裂が発生しました。 PALE AlN 層が厚いが臨界厚さ未満であるサンプルは、AFM 画像で示される明確なステップ フローとテラスによってサポートされる、より優れた 2-D 成長モードを提供します。 この観察は、測定された表面粗さの RMS 値によって証明されます。サンプル A、B、および C の RMS 値は、それぞれ 1.152、0.664、および 0.512 です。 これは、PALE AlN の使用により表面品質がほぼ 35% 向上したことを示しています。 PALE AlN の導入による境界の減少は、NH3 フローの効果的な 4 秒間隔がより多くの Al 吸着原子の蓄積を促進し、その結果島粒径の増加と境界密度の減少に起因すると考えられます。 PALE AlN 層の厚さが厚くなると、粒子が合体し始めると、より多くの境界が減少し、その密度は着実に減少します。 その結果、これにより、AlN層の原子的にほぼ平坦な表面または滑らかな表面が得られる。 したがって、AlN NLと組成傾斜型AlGaNバッファ層との間の急峻な界面を実現することができる。

さまざまな厚さで堆積した PALE AlN バッファ層を備えた各サンプルの、Si 上の GaN 表面形態の RMS 粗さ値を含む 5 μm × 5 μm の AFM トポグラフィー画像 (画像 A、B、C、D)。

さまざまな PALE AlN 厚さで成長した GaN/Si ヘテロ界面の界面および構造特性をさらに分析するために、断面 FESEM 測定が使用されます。 図 3a ~ d は、それぞれサンプル A、B、C、D の GaN 膜表面の画像を示しています。 1130℃の温度でud-GaNエピ層を成長させると、サンプルA(PALE AlN層なし)には図3aの矢印で示されたピットが現れますが、サンプルBとC(両方ともPALE AlN層あり)の表面には凹凸が見られます。横方向の 2D 成長。 図3a〜cのサンプルA、B、およびCは、亀裂のない表面を示し、より滑らかな表面への滑らかな移行を示していることが確立されています。 サンプルBとCもクラックのない滑らかな表面を示し、PALE法でAlN層を成長させてクラックのない表面を生成する利点を証明していますが、サンプルDは図3dのようにウェーハの中心にクラックを示しています。 Si と GaN の間の熱膨張係数と格子定数の大きな不一致により、サンプル D の表面に亀裂ネットワークが発達していることがはっきりとわかります。これはおそらく、厚さ 100 nm の PALE AlN 層によって生成された圧縮応力が原因であり、引張応力を完全に補償することができます。

サンプル (a) A、(b) B、(c) C、および (d) D の FESEM 表面画像。PALE AlN バッファー間の界面に焦点を当てたサンプル (e) A、および (f) C の FESEM 断面画像層と組成傾斜型AlGaNバッファ層。

断面図から、図3eは図3aの表面サンプルA上のピット形成の原因を明らかに示唆しています。 Si 基板上に直接成長した AlN NL の粗い表面は、AlN NL と組成傾斜型 AlGaN バッファ層の間の界面の変動を引き起こします。 これらの「V 字型」は、残りの組成傾斜 AlGaN バッファ層の成長中に残り、貫通転位 (TD) を運ぶと予想されます。 横方向の成長は、表面欠陥、つまり V ピットの形成を誘発するこの現象によって大きな影響を受けました。 「V 字型」パターンは、粒子が AlN NL 再成長界面から発生するパターンとほぼ同様であるように見えます。これは、構造全体が成長する前に粒子が基板上に落下したことを意味します 20。 さまざまな研究により、歪み層超格子 (SLS) の大きな V 字型欠陥が HEMT 構造の大きなゲート リーク電流と相関していることが示されました 21。 したがって、PALE AlN層は、図3fに示すように、AlN NLと組成傾斜AlGaNバッファ層の間の界面の変動を緩和する代替方法であり、デバイスの垂直方向の漏れ電流を減少させる可能性があります。

らせん転位研究用の (0 0 0 2) 対称スキャンと、堆積した GaN 膜の混合エッジ ロッキング カーブ プロファイルの (1 0 -1 2) 非対称スキャンである 2 つの異なる平面が、Rigaki Smartlab 高解像度 x で取得されました。 Cu Kα1 X 線ターゲット線源 (λ = 1.5406 Å) を使用した線回折 (HR-XRD)22。 XRC 解析の結果から、以下を使用して、ねじ (DS) および混合刃 (DE) の貫通転位密度 (TDD) を推定できます23。

一般に、bs と be はそれぞれらせん転位と混合刃状貫通転位のバーガース ベクトル サイズであり、βs と βe はラジアン単位の半値全幅 (FWHM) 値です。 ここで、\(b{\text{s}}\) = 0.4982 nm、\(b{\text{e}}\) = 0.3112 nm、DS と DE の値を表 1 に示します。

表1のスクリューとミックスエッジのFWHMと転位密度の値を、それぞれ図4aとbにグラフでプロットします。 貫通転位密度 (TDD) の傾向に対する半値全幅 (FWHM) の傾向は両方とも、PALE AlN の厚さの変化に起因します。 PALE AlNを含まないサンプルAのFWHMは、比較的狭いFWHMを有するPALE AlNを含むすべてのサンプルと比較して、より広いFWHMを有する。 ここで、対称 (傾斜関連) および非対称 (ねじれ関連) 解析の上部 GaN 膜の結晶品質も、AFM 結果と一致して、PALE AlN の厚さを増やすことで大幅な改善が見られます。 50 nm の PALE AlN 厚さ (サンプル C) では、対称および非対称解析の最低 FWHM が発見され、両方の値はそれぞれ 782.28 秒角と 1141.20 秒角でした。 それにもかかわらず、最低らせん転位密度 DS および混合刃転位密度 DE も、それぞれ 1.33 × 109 cm-1 および 7.27 × 109 cm-1 と計算されました。 サンプル C の両方の転位は、サンプル A と比較して 13% ~ 35% 削減されました。 予想されたように、PALE 技術の低い成長速度では、AlN 層の結晶品質は一般に、より高い成長速度を使用したものよりも高くなっています 24。 サンプル C とサンプル D では、らせん転位と混合刃転位にわずかな違いがあります。

(a) 螺旋貫通転位の FWHM (0 0 0 2)、および (b) PALE AlN の厚さの関数としての混合刃貫通転位の FWHM (1 0–1 2)。

貫通転位密度の減少は、AFM および FESEM の特性評価で観察された低い RMS 粗さに関連している可能性があります。 PALE AlN 層によって生じたより滑らかな界面は、最初の組成傾斜型 AlGaN バッファ層上の V 字型パターンを軽減し、したがって他のバッファと GaN 層の間の界面も滑らかになります。 これにより、エピタキシャル層の貫通転位密度を低減することができる。 最も低いFWHMを有するサンプルCを参照として、同じ構造を変更(より厚い組成傾斜AlGaNバッファ層)を加えて再成長させ、上部GaNエピ層の対称性および非対称性についてそれぞれ669.96arcsecおよび1108.08arcsecを達成することができた。 サンプル D では、貫通転位がわずかに増加しましたが、これはおそらく以前に観察された亀裂表面現象を裏付けています。 GaN 層の結晶品質の XRC 分析パターンは、AFM および FESEM の議論と良好な一致を示しました。

次に、図5aに示すように、波長514 nmのAr + レーザーを備えたレニショーIn-Viaラマン分光計でサンプルのE2フォノンモードのシフトを分析することにより、上部GaNフィルムの歪みを精査しました。 知られているように、E2 モードは二軸応力に敏感であり 25、E2 モードは応力測定に使用される自然状態としてバルク GaN の 567.6 cm-1 に位置します 26。 図5aに示すように、サンプルA、B、C、Dでは、GaNのE2フォノンモードはそれぞれ568.2cm-1、568.7cm-1、569.2cm-1、567.3cm-1に位置します。

(a) 異なる PALE AlN 厚さ 0 ~ 100 nm の GaN/Si サンプルのラマンスペクトル。 (b) 面内応力および歪みと PALE AlN の厚さの関係。

面内応力 \(\sigma\) は、方程式 \(\sigma =\Delta \lambda /\kappa\) を使用して計算できます。ここで、\(\Delta \lambda\) はフォノンのピーク シフト、\ (\kappa\) は圧力係数、4.3 cm−1 GPa−1、Ref.27 であり、面内ひずみ ε は式 \(\varepsilon =\sigma /\Upsilon\) を使用して計算できます。ここで、σは面内応力、ϒ は GaN の二軸応力 (463 GPa28) です。 図5bに示すように、各サンプルA〜Dについて計算された面内応力は、それぞれ0.13、0.25、0.36、および-0.08 GPaです。 サンプル A では、E2 フォノン モードの高周波側へ 0.6 cm-1 のシフトが発生しているようです。 同様に、サンプル B とサンプル C では、E2 フォノン モードの高周波側にそれぞれ 1.1 cm-1 と 1.6 cm-1 シフトします。

したがって、GaN エピ層には、PALE AlN 層の厚さによく比例した適切な量の圧縮応力が存在します。 対照的に、サンプル D の E2 フォノン モードは、ピーク周波数で低い周波数に向かってわずかに 0.3 cm-1 シフトし、上部 GaN 層に引張応力を示します。 これは、PALE 技術によって堆積された AlN 膜が全体的に平坦で滑らかだったためと考えられます。 さらに、余分な厚みにより、AlN NL に部分的な緩和が生じ、構造全体に対する圧縮応力がいくらか減少します。 一般に、GaNとSiの熱膨張係数の差が大きいため、二軸の引張応力がかかるとGaN膜にクラックが発生します。 この現象は、AFM、FESEM、および XRD 分析結果とともに裏付けとなる証拠として機能し、PALE AlN 層は、Si(111) 基板、AlN エピ層、組成間の格子から誘起される圧縮歪みと熱的不一致を閉じ込めることができることを示しています。室温まで冷却した後でも、傾斜AlGaNバッファ層と後者のGaNエピ層。

実際、AlN 核生成層は格子不整合により圧縮歪みをもたらし、特に冷却プロセス中に基板からの引張応力を補償します。 AlGaN バッファ層は、貫通転位をフィルタリングするための主な媒体です。 AlN核生成層と組成傾斜型AlGaNバッファの間にPALE AlNバッファ層を挿入すると、界面層が強化されます。 以下に、PALE AlN バッファ層のパラメータと GaN エピタキシャル膜の結晶品質との関係について説明します。 AlN核生成層内の貫通転位は、組成傾斜型AlGaNバッファ層である後続の膜を通って伝播し、成長したままの膜の品質を低下させます。 その結果、AlN核生成層の結晶品質が向上すると初期TDDが減少し、その後のGaNエピ層の伝播TDが減少し、GaNエピタキシャル膜の結晶品質が向上します。 一方、PALE AlN バッファ層の平坦な表面は、後続の膜の横方向の拡張と核形成島の合体を促進し、その結果、欠陥のない柱状ドメインがより多く生成され、その結果、後続の膜の結晶品質が向上します29。 。 一般に、Si 基板上の GaN エピタキシャル膜の結晶品質を向上させるには、平坦な表面を備えた高品質の AlN バッファ層が不可欠です。 対照的に、PALE AlN は臨界厚さを超えると、部分的な緩和が生じます。 厚さ100 nmのPALE AlNバッファ層からの引張応力の上昇により、Si(111)上に成長した最上層のGaNエピ層にクラックが発生しました。

追加の AlN 膜は、MOCVD システムによるさまざまなパルス サイクル数のパルス原子層エピタキシーによって AlN NL 上に堆積されました。 堆積された PALE AlN エピ層の均一性は、膜厚に大きく依存します。 異なるPALE AlN厚さのSi(111)上のGaN膜の特性をそれに応じて調査した。 電界放射型走査型電子顕微鏡により、AlN NL と組成傾斜型 AlGaN バッファ層との間に高度に均一かつ急峻な界面が存在し、後者の構造全体にわたって亀裂のない GaN エピ層が成長していることが示された。 AlN NL と組成傾斜型 AlGaN バッファ層の間の界面は滑らかで急峻な構造で改善され、デバイス動作中のリーク電流の原因となる可能性のある V 字型の界面変動が排除されます。 PALE AlN の厚さが 50 nm に増加すると、ルート平均二乗粗さは 0.679 nm に減少し、(0002) と (10-12) の FWHM 値はそれぞれ 782.28 秒角と 1141.20 秒角に減少し、TDD が減少しました。 さらに、ラマン分光法がより高い周波数にシフトするのと並行して、応力および歪みも上昇します。 しかし、PALE AlN の厚さが臨界厚さを超えると、GaN エピ層の閉じ込められた圧縮応力は、温度冷却プロセス中に熱膨張の不一致に関連する引張応力と釣り合うことができなくなります。 要約すると、PALE AlN 層を挿入することで、Si(111) 上の比較的高品質でクラックのない GaN エピ層を製造できます。

この研究結果を裏付けるために使用されたデータは機密扱いです。 この研究のデータリクエストについては、Ahmad Shuhaimi 博士 ([email protected]) までご連絡ください。

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この研究は、マレーシア科学技術イノベーション省 (MOSTI) のパワー エレクトロニクス モジュール用高効率高電子移動度トランジスタ (HEMT) プロジェクト (MOSTI005-2021SRF/SRF-APP PG1-P3) によって支援されています。 著者は、GaN-on-Si 高電子移動度トランジスタプロジェクト (PV007-2019/T13C2-17) および窒化ガリウムに関する工学・科学・技術共同研究 (CREST) 気相エピタキシー (VPE) 技術研究センターに感謝します。窒化ガリウム (GaN-on-GaN) プロジェクト (PV015-2015) について。

低次元材料研究センター (LDMRC)、マラヤ大学理学部物理学科、50603、クアラルンプール、マレーシア

マルワン・マンソール、リズアン・ノルハニザ、アハマド・シュハイミ、ムハマド・イズヌル・ヒシャム、アル・ズハイリ・オマル

Silterra Malaysia Sdn Bhd., Lot 8, Phase II Kulim Hi-Tech Park, 09090, クリム, ケダ, マレーシア

アダム・ウィリアムズ

MIMOS Berhad、Technology Park Malaysia、57000、クアラルンプール、マレーシア

モフド・ロフェイ・マット・フシン

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この研究論文の著者は全員、研究の計画、実行、または分析に直接参加しています。 AS と MM は主要な原稿テキストを書き、RN、MIH、A.-ZO は図を作成しました。 1、2、3、4、および 5。この論文の著者全員が、提出された最終版を読み、承認しました。 この原稿の内容は、以前に著作権で保護されておらず、出版されてもいません。 本ジャーナルによる受理が検討されている間、この原稿の内容は著作権で保護されず、他の場所に投稿または出版されません。 この論文の著者による、出版済みか未出版かにかかわらず、直接関連する原稿や要約はありません。 私の研究所のマラヤ大学の代表者は、この提出内容を十分に認識しています。

マルワン・マンソールまたはアハマド・シュハイミへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Mansor、M.、Norhaniza、R.、Shuhaimi、A. 他。 組成傾斜型 AlGaN バッファーを備えたパルス原子層エピタキシー (PALE) AlN を使用した、シリコン (111) 上の窒化ガリウムの強化。 Sci Rep 13、8793 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35677-5

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受信日: 2023 年 1 月 12 日

受理日: 2023 年 5 月 22 日

発行日: 2023 年 5 月 31 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35677-5

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