Introduzione

L’articolo Gallium Nitride (GaN) è emerso come materiale semiconduttore di base per l’elettronica moderna, in particolare per la conversione di potenza ad alta efficienza, l’amplificazione della radiofrequenza e l’illuminazione a stato solido.

Fondamenti di Gallium Nitride Proprietà elettriche

La GaN si cristallizza principalmente nella struttura wurtzite, una disposizione esagonale che dà origine a forti effetti di polarizzazione piezoelettrica e spontanea. La sua conducibilità elettrica intrinseca è estremamente bassa perché la banda larga significa pochissimi elettroni sono termicamente eccitati dalla banda di valenza alla banda di conduzione a temperatura ambiente.

La conducibilità elettrica σ di un semiconduttore è data dall'equazione σ = q(nμn] + pμp]), dove q è la carica elementare, n e p sono le concentrazioni di elettroni e fori rispettivamente, e μn[Ff]

Tipi di Impurità in Gallio Nitride

Le impurità in GaN possono essere classificate in due categorie: dopanti intenzionali e contaminanti involontari.

Dopanti intenzionali

Il doping controllato viene eseguito durante la crescita del cristallo (ad esempio, per deposizione del vapore chimico-organico del metallo o epitassia del fascio molecolare) per raggiungere la conducibilità del tipo n desiderato o del tipo p.

  • [LT] I dopanti di tipo N[7][FLT]]]: Silicon (Si) è il più comune dopant di tipo N per GaN. Si sostituisce gli atomi di gallio e introduce un elettrone extra che è liberamente legato, facilmente ionizzato a temperatura ambiente.
  • I dopanti di tipo P (accettatori): Magnesio (Mg) è il dopant principale per la produzione di tipo GaN. Mg sostituisce il gallio e crea un buco accettando un elettrone dalla banda di valle. Tuttavia, i dopanti Mg hanno un'energia di attivazione elevata (~170–200 meV), che significa solo una frazione di

Impurità involontarie

Anche negli ambienti di crescita più puliti, le impurità di fondo sono inevitabili; le impurità involontarie più comuni in GaN includono il carbonio (C), l'ossigeno (O), e l'idrogeno (H).

  • Carbon[]: Spesso incorporato da precursori metal-organici (ad esempio, trimethylgallium). Il carbonio può agire come un profondo accettore quando su un sito di azoto o un donatore quando su un sito di gallio. La sua presenza è di solito dannosa, causando compensazione, mobilità ridotta e correnti di perdita aumentate.
  • Ossigeno[]: Un donatore superficiale in GaN. La contaminazione da ossigeno solleva la concentrazione di elettroni di fondo, rendendo difficile raggiungere strati GaN ad alta resistenza o di tipo p senza compensazione.
  • Hydrogen[[]: Comunemente incorporato durante la crescita e può passivate Mg accettatori formando complessi Mg-H. Ecco perché l'attivazione del tipo p richiede l'impastatura per far uscire l'idrogeno.

Meccanismi della Conduttività Modifica

Le impurità influenzano la conducibilità GaN attraverso tre meccanismi principali: generazione di vettori, compensazione e dispersione.

Generazione di vettori

A temperatura ambiente, l'energia termica ionizza questi donatori, rilasciando elettroni liberi nella banda di conduzione. Allo stesso modo, gli accettanti creano livelli di energia vicino al bordo della banda di accelerazione di valenza. Quando ionizzata (accettando elettroni dalla banda di valenza), lasciano dietro i buchi che contribuiscono all'attivazione di tipo p-tomo.

Compensazione

Quando sono presenti donatori e ammendatori, si compensano a vicenda. Ad esempio, in tipo GaN doped con Mg, ossigeno di fondo o donatori di silicio possono accettare fori donati, riducendo la concentrazione del foro netto. La compensazione abbassa la densità di vettore efficace e degrada la conducibilità.

Spazzola per il trasporto

La dipendenza dalla mobilità dell'impurità è una tendenza descritta dal modello Brooks-Herring o da approcci più sofisticati come la formula Conwell-Weisskopf.

Concentrazioni ottimali di Impurità per alta conducibilità

Per l'elettronica di potenza, dove la bassa resistenza è critica, moderata a pesante doping è desiderato nelle regioni di canale e contatto. Tuttavia, per i dispositivi ad alta frequenza, mantenere alta mobilità elettroni è fondamentale, quindi la doping più leggera è scelto per evitare il degrado della mobilità.

Tipici gamme di doping ottimizzate sono:

  • [FLT:]18–10]19], che produce concentrazioni di elettroni di 1018–10][FLT:[FLT]]][[[FLT]]]][[[[FLT]]]]]]]][[[FLT:[[[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][FLT[FLT][[[FLT]][[[[[[FLT]]]]]][[FLT]]]]]]][[[[FLT]]]]]]]][[[[[[[[FLT]]][FLT]]]]]]]]]]][FLT]]]]]]]]][[[[[[FLT]
  • [FLT:]19[FLT: 1:]–10]20 cm[–3] (totale Mg), con concentrazioni di foro attivate tipicamente nella gamma di 3×1017[2×7]

L'eccesso di questi range tende a creare difetti strutturali (ad esempio, impilando difetti, dislocazioni) e introduce compensando difetti nativi, diminuendo i ritorni. Ad esempio, Si doping sopra ~2×10]19]] cm[]]–3] può causare la formazione di auto-capacità di ottenere la formazione tramite galelettrica

Misurazione e caratterizzazione degli effetti di impurità

Per comprendere e controllare i livelli di impurità, i ricercatori si affidano a una suite di tecniche di caratterizzazione.

Misurazioni di effetti Hall

L'effetto Hall[[]] è il metodo standard per determinare il tipo di vettore (n o p), la concentrazione del vettore e la mobilità. Applicando un campo magnetico perpendicolare al flusso corrente e misurando la tensione Hall risultante, si possono estrarre questi parametri.

Spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS)

SIMS fornisce profili di impurità a livello atomico, sputtering del campione e analizzando ioni secondari espulsi. Può rilevare dopanti come Si e Mg a concentrazioni a partire da 1015]]]] cm[–3]]]]].

Fotoluminescenza (PL) e Cathodoluminescence (CL)

Le tecniche ottiche rivelano informazioni sulle transizioni connesse all'impurità, ad esempio, la GaN Mg-doped presenta una caratteristica banda di luminescenza blu intorno a 2.8 eV, attribuita a transizioni che coinvolgono gli accettatori Mg e i donatori residui.

Capacità di condensazione-Voltaggio (C-V)

Le strutture diodo Schottky permettono l'estrazione di profili di concentrazione del vettore netto da capacità di deplezione. C-V è particolarmente utile per la misurazione di doping dipendente dalla profondità in strutture a strati, come in HEMTs o diodi laser.

Impurità dei livelli di impurità sulle prestazioni del dispositivo

La conducibilità governata dalle impurità si traduce direttamente in prestazioni del dispositivo.

Diodi emissione di luce (LED)

Nei LED GaN, lo strato di tipo n (Si-doped) deve essere sufficientemente conduttivo per diffondere la corrente senza eccessiva caduta di tensione. Lo strato di tipo p (Mg-doped) è spesso il più resistivo, causando la corrente di affollamento e riscaldamento.

Elettronica di potere (Schottky Diodes, HEMTs)

Nei transistor di potenza GaN (tipicamente i transistor ad alta potenza di Elettro-mobilità di AlGaN/GaN, HEMTs), il canale di gas elettrone bidimensionale (2DEG) non si basa sulla doping intenzionale nel buffer GaN; invece, è indotto dalla polarizzazione. Tuttavia, la resistenza dello strato tampone è fondamentale per prevenire perdite e guasti.

Dispositivi ad alta frequenza

Per applicazioni RF, basso rumore e alto guadagno richiedono sia elevata mobilità dei vettori che bassa resistenza parassitaria. Le regioni di contatto omicide richiedono un dosaggio estremamente pesante per ridurre la resistenza al contatto, spesso superiore a 1020 cm–

Sfide e recenti progressi nel Doping Control

Nonostante i decenni di progresso, molte sfide rimangono nel padroneggiare i livelli di impurità in GaN.

Efficienza di Doping P-Type

L'efficienza di attivazione bassa di Mg (circa 1-10% al meglio) continua a ostacolare il tipo di P-Tipo GaN. I ricercatori stanno indagando gli accettatori alternativi come il beryllium (Be), che ha un livello di accettazione dello scarafaggio (~60 meV in teoria), ma Be doping è tossico e difficile da implementare.

Compensazione in carbonio e ossigeno non intenzionale

L'ottimizzazione avanzata della crescita (con temperature di crescita più basse, rapporti V/III più elevati, gas di origine più puri) può ridurre l'incorporazione del carbonio. Utilizzando precursori alternativi come triethylgallium invece di trimethylgallium abbassa anche i livelli di carbonio. Per l'ossigeno, l'uso di ammoniaca ad alta purezza e pulizia del reattore rigoroso è essenziale.

Passività e attivazione dell'idrogeno

I complessi Mg-H incorporati sono elettricamente neutrali. L'attivazione di ricottura a 600-800°C in azoto dissocia questi complessi e spinge fuori l'idrogeno, attivando gli accettatori Mg. Tuttavia, l'impastatura può anche introdurre nuovi difetti di punto. Impastatura termica rapida con rampe di temperatura ottimizzate e strati di tappatura (ad esempio, SiNx[

Tecnologie di doping emergenti

I recenti progressi includono l'impianto di denatura ] doping, che offre selettività spaziale ma soffre della necessità di attivazione ad alta temperatura (spesso superiore a 1300°C). Nuove tecniche di ricottura del laser o di ricottura rapida multiciclo show.

Conclusioni

I livelli di impurità nel Nitride Gallium sono la leva chiave per accordare la sua conducibilità elettrica da altamente isolante a metallizzato. L'interazione tra i dopanti intenzionali (Si per n-type, Mg per p-type) e i contaminanti involontari (C, O, H) determina la concentrazione del vettore netto, la mobilità e infine le prestazioni dei LED, dei transistor di potenza e dei dispositivi RF.

[LT] [[Segui]]] [[Segui]]]] [[L'articolo di GaN] [[[L]]]]][[L]]]]][L'articolo di GaN doping è dettagliato in questo studio[]]]].