Doctoral Thesis

Optimization of the early stage of heteroepitaxial growth of semiconductor films

Final Thesis 20.49 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Pongrácz, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Roman Gröger, Ph.D. et Ph.D.

Reviewers: Mgr. Ondřej Caha, Ph.D., Ing. Alice Hospodková, Ph.D.

Abstract:

High densities of threading dislocations (TDs) arising from lattice mismatch between III-nitride films and foreign substrates (e.g., AlN on Si with 19% misfit) significantly impede the efficiency of advanced electronic and optoelectronic devices. This work presents a comparative study investigating the initial growth stages and defect formation mechanisms in InGaN and AlN layers grown by Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy (MOVPE), Atomic Layer Deposition (ALD), and Physical Vapour Deposition (PVD) techniques, including sputtering. Through comprehensive surface analysis using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM), we observed that MOVPE-grown materials consistently developed V-pits, whose crystallographic orientation and density were directly correlated with underlying TDs. In contrast, PVD films typically exhibited growth islands, while ALD depositions under the studied conditions resulted in amorphous layers characterized by high surface roughness and significant contamination.
Transmission Electron Microscopy (TEM) provided critical insights into internal defect structures and strain relaxation. MOVPE-grown AlN films showed varying TD types (a-type edge, a+c-type mixed, c-type screw), with optimized two-step growth processes and controlled deposition rates notably reducing overall TD densities from >1010 cm⁻² to as low as 1.75×109 cm⁻². For InGaN, large V-pits were definitively linked to a+c-type mixed TDs, while smaller V-pits originated from basal stacking faults transforming into a-type edge dislocations. Conversely, PVD-grown AlN was predominantly polycrystalline with dislocations primarily confined to grain boundaries. Electron Beam Induced Current (EBIC) measurements confirmed that specific TD types, particularly a+c-type mixed and c-type screw TDs, act as potent recombination centres of charge carriers. Large V-pits were attributed to c-type dislocations exhibiting the highest recombination activity, which directly impairing device performance.
This research provides crucial comparative understanding of defect generation across varied III-nitride growth methodologies. It highlights pathways for manipulating TD nucleation which may ultimately enhance the efficiency of III-nitride-based semiconductor devices.

Keywords:

III-nitride semiconductors, InGaN, AlN, epitaxial growth, MOVPE, ALD, sputtering, TD, MD, AFM, SEM, EBIC, TEM, EDS

Date of defence

09.03.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce Ing. Jakuba Pongrácze se zabývá optimalizací růstových podmínek a systematickou charakterizací defektů v AlN vrstvách připravených různými depozičními metodami na křemíkových substrátech. Jedná se o téma s přímým dopadem na rozvoj polovodičových technologií se širokým zakázaným pásem. Práce vyniká především důkladným experimentálním přístupem. Student využil celou řadu náročných charakterizačních metod, zejména SEM, TEM, STEM, EDS, EBIC a AFM. Za nejpřínosnější část práce je považována část věnovanou různým typům dislokací a jejich rekombinační aktivitě pomocí EBIC kontrastu. Tato část práce přináší vědecké komunitě zcela nové a velmi užitečné informace o rekombinační aktivitě různých typů dislokací, což je v případě AlN epitaxních vrstev doposud neprozkoumaná oblast. Výsledky této disertační práce byly publikovány v jednom prvoautorském článku (J. Appl. Phys.) a v jednom článku ve spolupráci s University of Cambridge (J. Appl. Phys.), kde Ing. Pongrácz realizoval svou povinnou vědeckou stáž. V průběhu obhajoby Ing. Pongrácz prokázal výbornou orientaci ve zkoumané problematice a prokázal schopnost samostatně vědecky pracovat. Na dotazy komise odpověděl erudovaně a uspokojivě.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (CEITEC-AMN-CZ-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (místopředseda)
Ing. Alice Hospodková, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Kostelník, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc. (člen)
Mgr. Ondřej Caha, Ph.D. (člen)

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 1,15 MB

Reviewer’s report
Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 224,88 kB

Reviewer’s report
Ing. Alice Hospodková, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 196,50 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová