The spectra of growth traps in gallium nitride.pdf Введение Нитрид галлия (GaN) и твердые растворы соединений III-N используют при производстве СВЧ-транзисторов с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor (HEMT)) гигагерцового диапазона. Такие транзисторы имеют более высокие поля пробоя и выходную удельную мощность по сравнению с НЕМТ-структурами на базе кубических кристаллов. Современные методы кристаллизации нитридов - металлорганическое химическое осаждение из паровой фазы (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)), эпитаксия из молекулярных пучков (Molecular Beam Epitaxy (MBE)), гидридная парофазная эпитаксия (Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE)), рост раствора под высоким давлением (High Pressure Solution Growth (HPSG)), кристаллизация аммонотермальным методом (Ammonothermal Method (ATM)) позволяют получать как тонкие, так и достаточно толстые слои GaN. При этом отсутствие объемных кристаллов нитрида галлия соответствующих размеров приводит к необходимости использования подложек на основе Al2O3, Si, SiC и других при выращивании эпитаксиальных пленок нитридных соединений, следствием чего является большая плотность (~ 109 см-2) краевых и винтовых дислокаций в ростовом материале. Высокие температуры синтеза при MOCVD-эпитаксии (~ 1000 C) и летучесть азотного компонента приводят к значительной плотности собственных дефектов решетки в этом материале. Наряду с собственными дефектами в нитриде галлия присутствуют химические примеси и, прежде всего, водород и углерод, что обусловлено технологическими особенностями выращивания данного соединения. В формировании ростовых ловушек может принимать участие также примесь кислорода и другие примеси и их комплексы с собственными дефектами решетки. Так, n-тип проводимости ростового GaN связывают с автодопингом примеси кислорода. Все это приводит к достаточно высокой плотности ростовых ловушек, что ограничивает мощностные характеристики в динамическом режиме НЕМТ-структур на базе нитрида галлия и приводит к деградации характеристик таких структур в процессе эксплуатации. В частности, эффект коллапса тока НЕМТ-структур связывают с наличием глубоких ловушек акцепторного типа. Поэтому проблема ростовых дефектов в нитриде галлия и поиск технологических условий получения материала высокого структурного совершенства являются предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований. Ростовые дефекты GaN и их спектры Для получения информации о параметрах ростовых ловушек в нитриде галлия используют нестационарную емкостную спектроскопию глубоких уровней (Deep Levels Transient Spectroscopy (DLTS)), нестационарную спектроскопию неосновных носителей (Minority Carrier Transient Spectroscopy (MCTS)), оптическую спектроскопию глубоких уровней (DLOS, ODLTS), спектроскопию термостимулированной емкости (STSC), переходную спектроскопи. изотермической емкости (Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy ((ICTS)), спектроскопию адмитанса (Thermal Admittance Spectroscopy (TAS)), метод стационарной фотоемкости (Steady-State PhotoCapitance (SSPC)) и другие методы. Эти измерения показывают, что плотность ростовых ловушек в эпитаксиальных слоях нитрида галлия достигает значений от ~ 1013 до более чем 1015 см-3 [1]. При этих исследованиях наибольшее внимание уделяется оценке энергетического положения этих ловушек и их сечений захвата носителей заряда, а также анализу возможной природы ростовых дефектов. В табл. 1 представлены результаты экспериментальных исследований параметров ростовых ловушек в эпитаксиальных слоях нитрида галлия, выращенных в различных технологических условиях. Табличные данные были ограничены работами, в которых измерены как энергетическое положение уровней ростовых ловушек в эпитаксиальных слоях GaN, так и сечений захвата носителей заряда этими ловушками [2-19]. Таблица 1 Параметры ростовых ловушек в эпитаксиальных слоях нитрида галлия согласно данным [2-19] № п/п Ловушка Метод измерения Энергия активации, эВ Сечение захвата, см2 Условия выращивания GaN 1 /ET1 TAS Ec-0.051 - MOCVD GaN/Si [2] 2 /ET1 DLTS Ec-0.11 210--20 PAMBE GaN:C:Si/Al2O3 [4] 3 T1 DLTS Ec-0.12 1.310-17 HVPE GaN/Al2O3 [3] 4 TE1/ET1 DLTS/MCTS Ec-0.13 2.810-19 MOCVD 300 GaN/Al2O3 [5] 5 E1/ET2 DLTS Ec-0.15 4.610-18 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 6 /ET2 DLTS Ec-0.15 2.310-18 PAMBE GaN:C:S)/Al2O3 [4] 7 T1a DLTS Ec-0.16 2.710-17 HVPE GaN/Al2O3 [3] 8 T1b DLTS Ec-0.20 510-17 HVPE GaN/Al2O3 [3] 9 E01 DLTS Ec-0.21 (4±2)10-14 MOCVD GaN [7] 10 E2/ET5 DLTS Ec-0.23 5.210-20 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 11 DLTS Ec-0.23 6.210-16 MOCVD GaN/Al2O3 [8] 12 D2 DLTS Ec-0.24 210-16 HVPE GaN bulk [9] 13 D/ET4 DLTS Ec-0.24 2.010-15 MOCVD GaN/Al2O3 [10] 14 /ET5 DLTS Ec-0.25 9.410-16 MOCVD GaN:Si/Al2O3 [11] 15 /ET5 DLTS Ec-0.25 110-15 NH3MBE GaN/Al2O3 [12] 16 /ET5 DLTS Ec-0.26 9.410-16 HVPE GaN:Si [13] 17 ΔE1/ET5 DLTS, ICTS Ec-0.26 1.610-15 HVPE GaN/GaN MOCVD [14] 18 D1/ET5 DLTS Ec-0.26 2.510-15 MOCVD GaN/Al2O3 [15] 19 EO2/ET5 DLTS Ec-0.27 6.810-15 MOCVD GaN/Al2O3 [16] 20 E1/ET5 DLTS Ec-0.27 1.610-15 MOCVD GaN/Al2O3 [17] 21 E3/ET6 DLTS Ec-0.3 610-20 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 22 D2/ET6 DLTS Ec-0.35 6.510-16 MOCVD GaN/Al2O3 [15] 23 TE2/ET7 DLTS/MCTS Ec-0.37 2.810-17 MOCVD 300 GaN/Al2O3 [5] 24 C/ET9 DLTS Ec-0.45 1.510-13 MOCVD GaN/Al2O3 [10] 25 /ET9 DLTS Ec-0.45 2.610-14 MOCVD GaN/Al2O3 [8] 26 TE3/ET8 DLTS Ec-0.48 4.710-18 MOCVD 500 GaN/Al2O3 [5] 27 E4/ET8 DLTS Ec-0.5 2.710-18 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 28 T2 DLTS Ec-0.52 1.610-16 HVPE GaN/Al2O3 [3] 29 ΔE2/ET10 DLTS, ICTS Ec-0.58 2.710-15 HVPE GaN/GaN MOCVD [14] 30 D3/ET10 DLTS Ec-0.58 1.410-15 MOCVD GaN/Al2O3 [15] 31 T3 DLTS Ec-0.59 210-16 HVPE GaN/Al2O3 [3] 32 C/ET10 DLTS Ec-0.6 4.710-15 MOCVD GaN: Si/Al2O3 [11] 33 D3/ET10 DLTS Ec-0.60 2.510-15 HVPE GaN bulk [9] 34 DLTS Ec-0.60 310-14 NH3MBE GaN/Al2O3 [12] 35 DLTS/DLOS/SSPC Ec-0.61 510-16 PAMBE GaN:C:Si/Al2O3 [4] 36 EO5 DLTS Ec-0.60 6.710-15 MOCVD GaN/Al2O3 [16] 37 B/ET10 DLTS Ec-0.62 7.410-15 MOCVD GaN/Al2O3 [10] 38 ΔE3/ET10 DLTS, ICTS Ec-0.66 9.110-16 HVPE GaN/GaN MOCVD, [14] 39 TE4/ET11 DLTS Ec-0.68 1.310-17 MOCVD 300 GaN/Al2O3 [5] 40 D4/ET11 DLTS Ec-0.69 1.510-15 HVPE GaN bulk [9] 41 E5/ET11 DLTS Ec-0.7 4.710-16 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 42 DLTS Ec-0.72 510-14 NH3MBE GaN/Al2O3 [12] Окончание табл. 1 № Ловушка Метод измерения Энергия активации, эВ Сечение захвата, см2 Условия выращивания GaN 43 E1a/ET12 DLTS Ec-0.83 210-13 MOCVD p - i- n GaN [18] 44 T4 DLTS Ec-0.90 510-13 HVPE GaN/Al2O3 [3] 45 D5/ET13 DLTS Ec-0.96 3.010-14 HVPE GaN bulk[9] 46 E6/ET13 DLTS Ec-1.1 9.410-14 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 47 D7/ET14 DLTS Ec-1.19 1.510-13 HVPE GaN bulk [9] 48 TH2 DLTS/MCTS Ec-2.69 4.410-17 MOCVD 300 GaN/Al2O3 [5] 49 TH1 DLTS/MCTS Ec-3.20 3.410-16 MOCVD 300 GaN/Al2O3 [5] 50 H1a/HT1 DLTS Ev+0.90 110-13 MOCVD p-i-n GaN [18] 51 H3/HT4 DLTS Ev+0.76 4.910-13 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 52 H2/HT3 DLTS Ev+0.7 8.110-14 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 53 H1/HT2 DLTS Ev+0.57 2.610-14 MOCVD GaN/Al2O3 [6] 54 H1 DLTS Ev+0.34 4.810-10 HVPE GaN/Al2O3 [19] На рис. 1 представлен соответствующий энергетический спектр ростовых ловушек в эпитаксиальных слоях нитрида галлия, полученных в различных технологических условиях, из которого следует, что локальные состояния ловушек практически заполняют всю запрещенную зону этого полупроводника. Предполагается, что наблюдаемый экспериментально спектр ростовых ловушек значительно превышает их реальное число вследствие разброса измеряемых параметров «близких» ловушек. В качестве возможной причины такого разброса рассматриваются локальные электрические поля и упругие напряжения в исследуемых образцах, а также наличие энергетических барьеров для захвата носителей заряда и сложная структура некоторых дефектов. Поэтому экспериментально наблюдаемый спектр ростовых дефектов было предложено ограничить набором «усредненных» электронных (ЕТ1-ET15) и дырочных (HT1-HT7) ловушек [1]. При этом высказано предположение, что спектр ростовых ловушек в GaN может содержать еще меньшее число реальных щелевых состояний, поскольку параметры некоторых «усредненных» ловушек достаточно близки. Так, ловушки ET6 и ET7, ET8 и ET9, ET11 и ET12, ET13 и ET14 рассматриваются как одни и те же или очень близкие дефектные состояния. Рис. 1. Спектр ростовых ловушек в кристаллах нитрида галлия согласно данным [2-19] Параметры ростовых ловушек и их концентрация в определенной степени зависят от технологии выращивания эпитаксиальных слоев нитрида галлия. В качестве основных ростовых дефектов обычно рассматривают преимущественно точечные дефекты и, прежде всего, вакансии азота (VN) и галлия (VGa), которые выступают как основные компенсирующие центры при легировании нитрида галлия изоморфными акцепторными (Mg) или донорными (Si) примесями соответственно. Эффективность такого легирования в полупроводниках определяется соотношением Δ = = ± |CNL - Flimn,p|, где CNL - уровень зарядовой нейтральности полупроводника, а Flimn,p - предельное положение уровня Ферми в легированном материале [20]. Величина CNL ≈ EV +2.6 эВ для GaN [21, 22] обеспечивает достаточно высокий уровень легирования нитрида галлия n-типа проводимости до ~ 1020 см-3 [23]. При этом соответственно ограничены возможности получения сильно легированного материала p-типа проводимости. C вакансией азота связывают ловушку Eс - 0.051 эВ, предположительно VN0, а ловушку, близкую Eс - 0.11 эВ, приписывают VN-, при том что вакансии галлия образуют глубокие акцепторные центры [2].Считается, что образование антисайтов GaN и NGa энергетически невыгодно вследствие значительной разницы в атомных ради¬усах Ga (1.36 А) и N (0.56 А). Соответствующие расчеты электронных спектров собственных дефектов и их энергий образования в зависимости от положения химпотенциала в энергетическом спектре нитрида галлия выполнены в ряде исследований [24-29]. Кроме точечных дефектов в эпитаксиальных слоях GaN существенный вклад в энергетические спектры наблюдаемых ростовых дефектов вносят дислокации, электронные спектры которых представлены в работе [30]. Особую роль в нитриде галлия выполняют примеси углерода и водорода. Так, при MOCVD-эпитаксии часть ростовых ловушек связывают с присутствием углерода, концентрация которого в материале зависит от давления в газовом потоке и ростовой температуры. Углерод при легировании выступает как донор (CGa) и как акцептор (CN), обеспечивая при больших концентрациях смещение уровня Ферми в глубь запрещенной зоны GaN [31]. При увеличении концентрации углерода за счет снижения давления газового потока плотность ряда ростовых ловушек в слоях GaN, например, ловушек ТЕ1-ТЕ4, возрастает. Поэтому часть ростовых ловушек из наблюдаемого спектра связывают с присутствием примеси углерода [4, 9, 11]. Водород участвует в пассивации акцепторной примеси Mg, а также предположительно входит в состав некоторых дефектно-примесных комплексов. Наиболее полный анализ возможной природы некоторых ростовых ловушек в нитриде галлия выполнен в работе [1]. При этом следует отметить, что начиная с первых работ по исследованию ростовых дефектов в нитридах [32] прямые доказательства происхождения этих дефектов, например на основе исследований спектров ЭПР, практически отсутствуют. Заключение Несмотря на значительное число экспериментальных и теоретических исследований, проблема ростовых дефектов в GaN все еще требует дальнейшего решения при улучшении качества эпитаксиального материала. В частности, исследование малодислокационного нитрида галлия представляет особый интерес, при том что подавляющее большинство измерений выполнены на эпитаксиальных слоях GaN, выращенных на инородных подложках, преимущественно на подложке сапфира. При этом информация о возможной природе ростовых ловушек в нитриде галлия в большинстве случаев базируется на основе косвенных данных. Так, при анализе ростовых ловушек принимаются во внимание, главным образом, точечные дефекты, а в качестве аргументов о их природе рассматривают влияние легирующей примеси на спектр локальных состояний кристалла, а также соответствие экспериментального спектра ростовых дефектов соответствующим теоретическим расчетам. Изменение спектра дефектов при легировании химической примесью не обязательно указывает на ее участие в составе соответствующего локального состояния, а расчеты энергетического спектра глубоких локальных состояний в полупроводниках не обеспечивают необходимой точности.

Скачать электронную версию публикации