Влияние уровней примесей на электропроводность арсенида галлия

Арсенид галлия (GaAs) является краеугольным камнем современной полупроводниковой технологии, ценится за его превосходную электронную мобильность и прямую бандгап. Эти свойства позволяют GaAs преуспевать в высокочастотной электронике, оптоэлектронике и фотоэлектрических устройствах. Однако точное электрическое поведение GaAs - особенно его электрическая проводимость - чрезвычайно чувствительно к присутствию и концентрации атомов примесей в его кристаллической решетке. Понимание того, как уровни примесей формируют проводимость, имеет важное значение для инженеров и исследователей, которые проектируют такие устройства, как монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC), высокоэлектронные транзисторы (HEMT), лазерные диоды и космические солнечные элементы. В этой статье исследуются фундаментальные отношения между допантами, загрязняющими веществами и результирующей динамикой носителей заряда в GaAs, обеспечивая всеобъемлющий взгляд на то, как управление примесями стимулирует оптимизацию производительности.

Основы арсенида галлия

Арсенид галлия представляет собой составной полупроводник, образованный из элементов в группе III и группе V периодической таблицы. Его кристаллическая структура цинкбленде обеспечивает высокую подвижность электронов - примерно в пять-шесть раз больше, чем у кремния при комнатной температуре - и прямую пропускную способность примерно 1,42 эВ при 300 К. Прямой разрыв означает, что рекомбинация электрон-дырка может происходить с высокой радиационной эффективностью, что делает GaA предпочтительным материалом для светоизлучающих диодов и лазерных диодов, работающих в ближнем инфракрасном спектре. Кроме того, широкий разрыв и высокое поле разрушения материала позволяют работать при повышенных температурах и частотах, поэтому GaAs доминирует на рынке усилителей мощности в базовых станциях мобильных телефонов и радиолокационных системах.

В своей чистой, внутренней форме GaAs имеет относительно низкую проводимость, потому что внутренняя концентрация носителя (электроны и дырки, генерируемые тепловым возбуждением через полосу) находится на порядка 10 ⁶ см ^-3 при комнатной температуре. Для большинства применений устройства проводимость должна контролироваться на многие порядки величины, подвиг, полностью выполненный путем преднамеренного введения примесей — процесс, называемый допингом.

Роль примесей в полупроводниках

Примеси можно разделить на две широкие категории: преднамеренные допанты , которые намеренно добавляются к индивидуальным электрическим свойствам, и непреднамеренные загрязнители , которые возникают из предшественников роста, тисков или технологических сред. Оба типа глубоко влияют на концентрацию и подвижность носителей заряда. В GaAs даже подчасти на миллион уровней определенных примесей могут изменять проводимость от полуизоляционных до высокопроводящих или наоборот. Понимание взаимодействия между типом примесей, концентрацией и распределением является основой проектирования полупроводниковых устройств.

Донор и акцептор примесей

Донорские примеси — это элементы, которые имеют больше валентных электронов, чем атом-хозяин, который они заменяют. Для GaAs типичные доноры включают кремний (Si), теллурий (Te), олово (Sn) и серу (S). Когда донорский атом заменяет галлий (например, кремний на участке галлия), его дополнительный электрон слабо связан и может быть тепло возбужден в полосу проводимости, оставляя после себя положительно заряженный ион. Полученный материал n-типа, с электронами в качестве большинства носителей. И наоборот, акцепторные примеси имеют меньше валентных электронов и естественным образом создают отверстия в валентной полосе. Общими акцепторами в GaAs являются цинк (Zn), углерод (C), бериллий (Be) и магний (Mg). Когда акцептор заменяет мышьяк (например, углерод на участке мышьяка), он принимает электрон, генерируя мобильное отверстие и делая материал p-типа.

Компенсация и глубинные уровни

Не все примеси действуют как простые доноры или акцепторы. Некоторые создают глубокие уровни — энергетические состояния вблизи середины полосы пропускания — которые могут захватывать носители заряда и уменьшать проводимость. Например, загрязнение кислородом в GaAs образует глубокий уровень донора, который имеет тенденцию к компенсации материалов p-типа, ухудшая производительность устройства. Кроме того, хорошо известный глубокий уровень в GaAs является дефектом EL2, который представляет собой комплекс, включающий мышьяк антисит (As _Ga) и связанные вакансии. EL2 обычно используется для создания полуизоляционных субстратов GaAs; его глубокий уровень донора зажимает уровень Ферми около середины разрыва, давая резистивность, превышающую 10 ⁷ Ω·cm.

Компенсация происходит, когда одновременно присутствуют доноры и акцепторы. В высококомпенсированном материале концентрация чистого носителя является разницей между плотностью донора и акцептора, но подвижность страдает из-за увеличения ионизированного рассеяния примесей. Контрольная компенсация имеет решающее значение для достижения воспроизводимой проводимости в слоях GaAs, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) или металлоорганического химического осаждения паров (MOCVD).

Влияние на электропроводность

Электрическая проводимость σ полупроводника задается

σ = q (n μ_n + pμ_sub>p]

где q является элементарным зарядом, np_n и μ_pp.p Уровень примесей влияет как на концентрации носителей, так и на подвижность._DDA, концентрация чистых электронов приблизительно N_DNA_{_{A_{_{A_{A_A[[}}}}}

Ионизированное рассеяние примесей

Поскольку концентрация примесей превышает около 10¹⁷ см⁻³ в GaAs, доминирующий механизм рассеяния смещается от колебаний решетки (фононное рассеяние) к ионизированному рассеянию примесей. Кулонные взаимодействия между носителями заряда и ионизированными допантами увеличивают скорость рассеяния, в результате чего подвижность резко падает. Этот эффект особенно выражен для низкотемпературных применений, где фононное рассеяние подавляется.⁵ см²/V·s при низком допинге, но он падает до нескольких тысяч при допинговых уровнях выше 10¹⁸ см⁻³.

Нейтральное рассеяние примесей

Когда допанты не полностью ионизированы, что может происходить при низких температурах или при глубоких уровнях, нейтральные атомы примесей также рассеивают носители, хотя и с поперечным сечением, которое обычно меньше, чем для ионизированных примесей. В сильно легированных GaAs ионизированное и нейтральное рассеяние должны рассматриваться как точно моделирующие проводимость. Кроме того, рассеяние от расстройства сплава (в тройных соединениях, таких как AlGaAs) и от шероховатости интерфейса в гетероструктурах может дополнительно уменьшить подвижность.

Оптимальные допинговые стратегии для производительности устройств

Выбор правильного уровня примесей является балансирующим действием, зависящим от конкретного применения устройства. Слишком мало примесей приводит к высокому сопротивлению и низкому току привода; слишком много вызывает обрушение подвижности, сопротивление паразитных рядов и повышенную утечку. Инженеры используют несколько методов для достижения желаемого профиля проводимости.

Единообразный допинг против модуляции

В традиционных полевых транзисторах используется однородный допинговый канал. Для GaAs MESFET типичные уровни допинга в каналах варьируются от 1×10¹⁷17¹⁷ до плотности и подвижности балансового несущего⁻³ до допинга на высокой скорости используется метод, называемый модулированием допинга (или дельта-допинговым слоем]. Тонкий, сильно допинговый донорский слой¹² см^{−2^{, примыкающий к недопинговому каналу GaAs. Электроны переносят в канал, где они испытывают очень высокую мобильность несущего — более 10⁶}}

Допинг для оптоэлектронных устройств

В лазерных диодах и светодиодах активная область обычно состоит из нелегированных или слегка легированных GaAs в качестве квантовых скважин для поддержания высокой радиационной эффективности. Окружающие слои облицовки сильно легированы (n-тип и p-тип, например, 1×10^]18 см⁻³, чтобы обеспечить эффективную инъекцию несущей при минимизации сопротивления серии. Допинг P-типа в GaAs часто достигается с помощью бериллия или углерода, поскольку углерод имеет низкий коэффициент диффузии и может быть введен при высоких концентрациях без ухудшения резких интерфейсов, необходимых для квантовых скважин.

Полуизоляционные субстраты

Для микроволновых устройств полуизоляционный GaAs субстрат необходим для снижения паразитарной емкости и перекрестного разговора. Полуизоляционный GaAs производится путем преднамеренного включения примесей или дефектов глубокого уровня, которые компенсируют остаточные мелкие доноры. Дефект EL2, внутренний глубокий донор с концентрацией около 1-2 & # 215; 10 ¹⁶ - 3 , является наиболее распространенным механизмом компенсации. Альтернативно, допинг с хромом (глубокий акцептор) может производить полуизоляционное поведение, хотя загрязнение хромом часто нежелательно из-за его пагубного влияния на надежность устройства. ⁶ см ^{- 3}, что соответствует сопротивлению, большему, чем 10 ⁷ Ω·cm.

Непреднамеренные примеси и их последствия

Даже при сохранении условий чистого роста непреднамеренные примеси могут проникать в кристаллы GaAs во время роста или обработки. Наиболее распространенные загрязнители включают углерод, кислород, кремний и водород. Их источники различаются: углерод происходит из металлоорганических прекурсоров (например, триметилгаллия) в MOCVD; кислород может поступать из окислителей или остаточной влаги; кремний может выделяться из компонентов кварцевого реактора. Каждый загрязнитель по-разному взаимодействует с решеткой GaAs.

Углерод в Гаасе

Углерод обычно включает в себя на мышьяковых участках, действуя как неглубокий акцептор с энергией ионизации около 26 МэВ. В MOCVD-растении GaAs углерод является доминирующим остаточным акцептором. Концентрации могут варьироваться от 10 ¹⁴ до 10 ¹⁶ см ^{-3 ^-3 в зависимости от условий роста (например, отношение V/III, температура). Если не тщательно контролировать, компенсация углерода может разрушить преднамеренный допинг-профиль, особенно в тонких слоях канала. Точная настройка параметров роста - например, снижение температуры роста или увеличение потока мышьяка - может уменьшить включение углерода до приемлемых уровней.}

Кислород и ловушки глубинного уровня

Кислород образует глубокий уровень донора примерно на E_c−0,79 эВ в GaAs. Даже следовые количества (10^]14 см⁻³ —3 — могут задерживать носители и сокращать срок службы инъецированных носителей. Это особенно вредно для солнечных элементов и фотодиодов, где срок службы миноритарного переносчика напрямую влияет на квантовую эффективность. В полуизоляционных материалах кислород также может влиять на соотношение компенсации. Методы получения, такие как использование низкотемпературных буферных слоев или включение редкоземельных геттеров, помогают смягчить загрязнение кислородом.

Дефект EL2

Как упоминалось ранее, дефект EL2 является повсеместным в GaAs, выращенных из расплава (LEC, VGF). Его концентрация зависит от стехиометрии: богатые мышьяком условия способствуют образованию EL2. В то время как EL2 полезен для полуизолирующих подложек, он вреден в активных слоях, поскольку вызывает захват носителей и низкочастотный шум. В эпитаксиально выращенных слоях уровни EL2 обычно намного ниже, чем в насыпных подложках, но внедиффузия от подложки может загрязнять эпитаксиальную пленку. Для подавления этого эффекта используются буферные слои и тщательное управление температурой.

Измерение и характеристика уровней примесей

Определение точной концентрации примесей и ее влияния на проводимость требует набора дополнительных методов характеристики.

Измерения эффекта Холла

Метод Ван-дер-Пау Холла является наиболее распространенной техникой измерения сопротивления листа, концентрации несущей и мобильности Холла. Измеряя напряжение Холла в магнитном поле, можно извлечь плотность чистого несущего n или p и мобильность Холла & #956; _H. Зависимые от температуры измерения Холла (например, от 77 К до 300 К) могут отделять вклады различных видов примесей, поскольку поведение замораживания несущей выявляет энергии активации мелкого и глубокого уровней.

Вторичная ионная масс-спектрометрия (SIMS)

SIMS обеспечивает прямое химическое обнаружение атомов примесей с ограничениями обнаружения в диапазоне частей на миллиард для многих элементов. Глубинное профилирование допантов, таких как кремний, углерод и кислород, является рутинным в анализе эпитаксиального слоя. Корреляция профилей SIMS с электрическими данными (например, от профилирования емкости-напряжения) позволяет калибровать эффективность активации допанта.

Профилирование емкости-напряжения (C-V)

Измерения C-V на диодах Шоттки дают чистую концентрацию ионизированных примесей в зависимости от глубины. Этот метод особенно полезен для обнаружения компенсации и проверки крутизны допинг-профилей в δ-допированных слоях. В сочетании с данными Холла C-V может выявить, являются ли все допанты электрически активными или некоторые из них компенсируются глубокими уровнями.

Фотолюминесценция и транзиторная спектроскопия глубокого уровня (DLTS)

Спектры низкотемпературной фотолюминесценции (PL) часто показывают резкие экситонные пики от связанных носителей, которые могут быть связаны с конкретными примесями. Например, пик при 1,5128 эВ связан с акцепторами углерода. DLTS является золотым стандартом для характеристики глубоких уровней, обеспечивая концентрацию ловушки, уровень энергии и поперечное сечение захвата. Эти методы бесценны для выявления непреднамеренных загрязнителей, которые ухудшают проводимость.

Будущие направления и исследовательские рубежи

По мере того, как размеры устройств уменьшаются, а рабочие частоты выходят в терагерцовый диапазон, контроль уровней примесей с атомной точностью становится все более важным. Исследователи изучают несколько путей для дальнейшей оптимизации проводимости GaAs:

Ультра-высокочистотные GaAs: Достижения в методах роста, таких как твердотельный источник MBE и синтез прекурсоров высокой чистоты, толкают уровни остаточной примеси ниже 10¹² см⁻³ в легко легированных слоях, позволяя записывать электронные подвижности, превышающие 3×10⁵ см²/V·s при комнатной температуре.

Новые виды допанта: Теллурий и олово пересматриваются в качестве доноров, поскольку они могут достигать более высокой плотности допинга, чем кремний, не образуя компенсирующих дефектов. Аналогично, углерод очищается как допант p-типа в MBE, где его можно вводить с использованием нагретой графитовой нити.

Цифровой допинг и наноструктуры: Атомно-слойный допинг (например, δ-допинг с субмонослойным контролем) и использование квантовых точек и нанопроводов позволяют размещать примеси с точностью до нанометра, минимизируя рассеяние и максимизируя плотность заряда-носителя.

Мониторинг in-situ: Отражение высокоэнергетической электронной дифракции (RHEED), спектроскопическая эллипсометрия и масс-спектрометрия интегрируются в камеры роста для обеспечения обратной связи в реальном времени по включению примесей, что позволяет контролировать процесс замкнутого цикла.

Эти инновации обещают расширить диапазон производительности устройств на основе GaAs, обеспечивая системы связи следующего поколения, высокоэффективную фотоэлектрическую и квантово-вычислительную гетероструктуры.

Заключение

Электрическая проводимость арсенида галлия регулируется тонким взаимодействием между преднамеренным допингом, непреднамеренным загрязнением и кристаллическим совершенством. Донорские и акцепторные примеси определяют концентрацию носителя, в то время как рассеяние ионизированных и нейтральных примесей ограничивает мобильность. Достижение желаемой проводимости для конкретного устройства - будь то высокоскоростная HEMT, полуизоляционная подложка или высокоэффективный солнечный элемент - требует точного контроля как над типом, так и над концентрацией примесей. Объединив передовые методы роста с тщательной характеристикой, инженеры могут использовать весь потенциал GaAs. Текущие исследования продолжают совершенствовать эти методы, обещая все более высокую производительность в электронных и оптоэлектронных устройствах, которые лежат в основе современной технологии.

Для дальнейшего чтения: Исследуйте основные свойства арсенида галлия , физику допинга в полупроводниках , а также детали дефекта EL2. Всесторонний обзор рассеяния примесей в GaAs можно найти в этой недавней обзорной статье .