Table of Contents

Введение

Галлий Нитрид (GaN) стал краеугольным полупроводниковым материалом для современной электроники, особенно в высокопроизводительном преобразовании мощности, радиочастотном усилении и твердотельном освещении. В отличие от обычного кремния, GaN обладает широким диапазоном примерно 3,4 эВ, что позволяет ему выдерживать более высокие электрические поля, работать при повышенных температурах и переключаться на более высоких скоростях с меньшими потерями. Критическим фактором, который определяет, выполняют ли устройства GaN задуманные функции, является точный контроль уровней примесей в кристаллической решетке. Примеси - будь то преднамеренно введенные или непреднамеренно присутствующие - фундаментально изменяют способность материала проводить электрический ток. Понимание того, как эти примеси влияют на проводимость, имеет важное значение для инженеров и исследователей, стремящихся оптимизировать GaN для приложений следующего поколения. Эта статья расширяет взаимосвязь между концентрациями примесей и электрической проводимостью в GaN, охватывая основную физику, практические допинговые стратегии, методы измерения и последствия для производительности устройства.

Основы электрических свойств нитрида галлия

GaN кристаллизуется в основном в структуре вурцита, шестиугольном расположении, которое вызывает сильные пьезоэлектрические и спонтанные эффекты поляризации. Его внутренняя электрическая проводимость чрезвычайно низка, потому что широкий диапазон означает, что очень немногие электроны термически возбуждаются от валентной полосы до полосы проводимости при комнатной температуре. Высокая чистота, нелегированный GaN действует как изолятор, с сопротивлением, часто превышающим 108 Ω · см. Чтобы сделать GaN полезным для электронных устройств, его проводимость должна быть увеличена - обычно на много порядков - через контролируемое добавление примесей, процесс, называемый допингом.

Электрическая проводимость σ полупроводника задается уравнением σ = q(nμ]nnp, где q — элементарный заряд, n и p — концентрации электронов и дырок соответственно, а μn и μp — их подвижность.Примеси напрямую влияют на n и p, обеспечивая дополнительные носители заряда, но они также рассеивают носители и снижают подвижность при высоких концентрациях.Таким образом, чистый эффект примесей на проводимость является компромиссом между плотностью несущей и подвижностью.

Виды примесей в нитриде галлия

Примеси в GaN можно разделить на две категории: преднамеренные допанты и непреднамеренные загрязнители.

Преднамеренные допанты

Контролируемый допинг выполняется во время роста кристаллов (например, путем металлоорганического химического осаждения паров или эпитаксии молекулярного пучка) для достижения желаемой проводимости n-типа или p-типа.

  • N-тип допантов (доноров): Кремний (Si) является наиболее распространенным допантом n-типа для GaN. Si заменяет атомы галлия и вводит дополнительный электрон, который слабо связан, легко ионизируется при комнатной температуре. Другие допанты n-типа включают германий (Ge) и кислород (O), хотя кислород также может действовать как непреднамеренный донор. Типичные уровни допинга для GaN n-типа варьируются от 1017 см—3 до более 1019 см—3. При высоких концентрациях Si может привести к образованию компенсирующих дефектов или вырождению допинга, где уровень Ферми перемещается в полосу проводимости.
  • Допанты типа P (приемники) : Магний (Mg) является основным акцепторным допантом для получения галлия p-типа и создает отверстие, принимая электрон из валентной полосы. Однако допанты Mg имеют высокую энергию активации (~170-200 МэВ), что означает, что только часть включенных атомов электрически активна при комнатной температуре. Достижение высоких концентраций дырок требует тяжелого допинга Mg (часто выше 10 ]19 см — 3 ) и осторожной активации после роста, как правило, посредством быстрого теплового отжига. Другие допанты типа p, такие как бериллий (Be) или цинк (Zn), были изучены, но менее практичны.

Непреднамеренные примеси

Даже в самых чистых средах роста фоновые примеси неизбежны. Наиболее распространенные непреднамеренные примеси в GaN включают углерод (C), кислород (O) и водород (H).

  • Углерод: Часто включается из металлоорганических прекурсоров (например, триметилгаллия). Углерод может действовать как глубокий акцептор, когда на участке азота или донор, когда на участке галлия. Его присутствие обычно вредно, вызывая компенсацию, снижение подвижности и увеличение токов утечки.
  • Кислород : Неглубокий донор в GaN. Загрязнение кислородом повышает фоновую концентрацию электронов, затрудняя достижение высокой резистентности или слоев GaN p-типа без компенсации.
  • Водород : Обычно встраиваются во время роста и могут пассивировать акцепторы Mg путем формирования комплексов Mg-H. Вот почему активация p-типа требует отжига для вытеснения водорода.

Механизмы модификации проводимости

Примеси влияют на проводимость GaN через три основных механизма: генерацию носителей, компенсацию и рассеяние.

Поколение перевозчиков

Донорские примеси вводят уровни энергии вблизи края полосы проводимости. При комнатной температуре тепловая энергия ионизирует этих доноров, высвобождая свободные электроны в полосу проводимости. Аналогично акцепторы создают уровни энергии вблизи края валентной полосы. При ионизации (принимая электроны из полосы валентности), они оставляют после себя отверстия, которые способствуют проводимости p-типа. Концентрация нетто-носителя зависит от концентрации допанта и его энергии ионизации. Для неглубоких допантов, таких как Si (энергия активации донора ≈ 12 МВ), почти все атомы ионизируются при 300 К. Для Mg (энергия активации акцептора ~ 170 МВ) фракция ионизации намного ниже, обычно менее 10% при комнатной температуре.

Компенсация

Когда присутствуют как доноры, так и акцепторы, они компенсируют друг друга. Например, в легированных Мг GaN p-типа, доноры фонового кислорода или кремния могут принимать донорские отверстия, снижая концентрацию чистого отверстия. Компенсация снижает эффективную плотность носителей и ухудшает проводимость. Минимизация компенсации является основной проблемой при выращивании высококачественного GaN p-типа. Коэффициент компенсации (плотность компенсирующих допантов, разделенных общей плотностью допанта) является ключевой фигурой заслуги.

Перевозчик рассеяния

Ионизированные примеси создают кулоновские потенциалы, которые рассеивают движущиеся носители заряда, уменьшая их мобильность. Зависимость мобильности от концентрации примесей следует тенденции, описанной моделью Брукса-Херринга или более сложными подходами, такими как формула Конвелла-Вайсскопфа. При низком допинге (<10]17 см—3 мобильность ограничена в основном фононным рассеянием.Поскольку допинг превышает ~1018 см—3—3, рассеяние примесей становится доминирующим, вызывая резкое падение мобильности. Этот компромисс между повышенной плотностью переносчика и пониженной мобильностью создает оптимальную концентрацию допинга для максимальной проводимости.

Оптимальные концентрации примесей для высокой проводимости

Оптимальная концентрация допинга для GaN зависит от применения. Для силовой электроники, где критическое значение имеет низкая устойчивость, в каналах и контактных областях желательно применение допинга от умеренной до тяжелой степени. Однако для высокочастотных устройств первостепенное значение имеет поддержание высокой подвижности электронов, поэтому для предотвращения деградации мобильности выбран более легкий допинг. Для светоизлучающих диодов (LED) активная область использует очень низкий допинг для минимизации нерадиационной рекомбинации, вызванной примесями, в то время как слои облицовки сильно легированы для облегчения токового впрыска.

Типичными оптимизированными диапазонами допинга являются:

  • N-тип GaN с Si: 1018-1019 см-3, что приводит к концентрации электронов 1018—1019 см—3 и подвижности от ~200—400 см2/V·s.
  • P-тип GaN с Mg: 1019-1020 см-3 (общая концентрация в ячейках), как правило, в диапазоне 3×1017—2×1018 см—3, и низкая подвижность около 5—30 см2/V·s из-за комбинированного рассеяния примесей и высокой эффективной массы.

Превышение этих диапазонов имеет тенденцию создавать структурные дефекты (например, дефекты штабелирования, дислокации) и вносит компенсирующие нативные дефекты, уменьшая отдачу. Например, допинг Si выше ~2×10]19] см—3] может вызвать самокомпенсацию через образование вакансий галлия, ограничивая максимальную достижимую концентрацию электронов.

Измерение и характеристика эффектов примесей

Чтобы понять и контролировать уровни примесей, исследователи полагаются на набор методов характеристики.

Измерения эффекта Холла

Эффект ХоллаХолла является стандартным методом определения типа несущей (n или p), концентрации несущей и подвижности. Применяя магнитное поле, перпендикулярное потоку тока и измеряя полученное напряжение Холла, можно извлечь эти параметры. Зависимые от температуры измерения Холла дополнительно выявляют энергии активации допантов и коэффициенты компенсации. Например, нанесение концентрации несущей против 1/T дает энергию донорной или акцепторной ионизации от наклона.

Вторичная ионная масс-спектрометрия (SIMS)

SIMS обеспечивает профили примесей на атомном уровне, распыляя образец и анализируя выброшенные вторичные ионы. Он может обнаруживать допанты, такие как Si и Mg, в концентрациях до 10 15 см -3 . SIMS необходим для калибровки условий роста и проверки того, что преднамеренный допинг соответствует целевым значениям, а также для выявления нежелательных загрязнителей.

Фотолюминесценция (PL) и катодуламинесценция (CL)

Оптические методы позволяют получить информацию о переходе, связанном с примесями. Например, Mg-допинг GaN имеет характерную синюю люминесцентную полосу около 2,8 эВ, приписанную переходам с участием приемников Mg и остаточных доноров. Отношение интенсивности к выбросам, связанным с примесями, дает качественное представление о качестве допинга.

Профилирование емкости-напряжения (C-V)

Диодные структуры Шоттки позволяют извлекать профили концентрации нетто-носителей из емкости истощения. C-V особенно полезен для измерения глубинозависимого допинга в слоистых структурах, таких как в HEMT или лазерных диодах.

Влияние уровней примесей на производительность устройства

Проводимость, управляемая примесями, напрямую переводится в производительность устройства.

Светоизлучающие диоды (LED)

В светодиодах GaN слой n-типа (Si-doped) должен быть достаточно проводящим для распространения тока без чрезмерного падения напряжения. Слой p-типа (Mg-doped) часто является наиболее резистивным, вызывая ток, переполнение и нагревание. Неэффективная проводимость p-типа является основным ограничивающим фактором для мощных светодиодов. Для улучшения проводимости p-типа изучаются такие методы, как дельта-допинг Mg и кодопинг с индием.

Power Electronics (Schottky Diodes, HEMTs)

В силовых транзисторах GaN (обычно транзисторах высокой электрон-мобильности AlGaN/GaN, HEMTs) двумерный канал электронного газа (2DEG) не полагается на преднамеренное допинг в буфере GaN; вместо этого он индуцируется поляризацией. Однако сопротивление буферного слоя имеет решающее значение для предотвращения утечки и разрушения. Высокое сопротивление достигается углеродным допингом (который вводит глубокие ловушки) или компенсирует остаточных доноров с помощью допинга железа (Fe). Правильный контроль этих компенсирующих примесей обеспечивает буферные блоки высоким напряжением при сохранении заряда листа 2DEG. Слишком много углерода может ввести утечку с помощью ловушки или эффекты памяти.

Высокочастотные устройства

Для радиочастотных применений низкий шум и высокий коэффициент усиления требуют как высокой подвижности носителей, так и низкого паразитарного сопротивления. Непреднамеренное фоновое допинг (например, из кислорода) должно быть сведено к минимуму для поддержания высокой подвижности канала. И наоборот, омические области контакта требуют чрезвычайно тяжелого допинга n-типа для снижения контактного сопротивления - часто превышающего 10 ]20 см - 3 с Si или с использованием вырожденных слоев n +, покрытых высоко легированным InGaN.

Проблемы и последние достижения в области допинг-контроля

Несмотря на десятилетия прогресса, в освоении уровней примесей в ГСН по-прежнему сохраняется ряд проблем.

Допинговая эффективность P-типа

Низкая эффективность активации Mg (в лучшем случае около 1-10%) продолжает препятствовать GaN p-типа. Исследователи изучают альтернативные акцепторы, такие как бериллий (Be), который имеет более низкий уровень акцептора (~60 МэВ в теории), но допинг Бе токсичен и сложен для реализации. Кодопинговые подходы (например, с кислородом или водородом) и поляризация, вызванная допингом, показали перспективу в повышении концентрации дырок. Дельта-допинг магния в суперрешетках также улучшает эффективную плотность дырок за счет снижения воздействия компенсации.

Непреднамеренная компенсация углерода и кислорода

Углерод является стойким загрязнителем от прекурсоров MOCVD. Продвинутая оптимизация роста (более низкие температуры роста, более высокие соотношения V/III, более чистые исходные газы) может уменьшить включение углерода. Использование альтернативных прекурсоров, таких как триэтилгаллий, вместо триметилгаллия также снижает уровень углерода. Для кислорода необходимо использование аммиака высокой чистоты и строгой чистоты реактора. Достижение фоновых концентраций носителя ниже 10]15] см-3 в полуизоляционных буферах GaN теперь возможно, но остается дорогостоящим.

Пассивация и активация водорода

Включенный водород образует комплексы Mg-H, которые являются электрически нейтральными. Активация отжига при 600–800°C в азоте окружающей среды диссоциирует эти комплексы и выводит водород, активируя акцепторы Mg. Однако отжига также может вводить новые точечные дефекты. Быстрое тепловое отжиг с оптимизированными температурными пандусами и слоями захвата (например, SiN]x) минимизирует повреждение.

Новые допинговые технологии

Последние достижения включают ионную имплантацию допинг, который обеспечивает пространственную селективность, но страдает от необходимости высокотемпературной активации (часто превышающей 1300°C). Новые методы отжига, такие как лазерное отжиг или многоцикловое быстрое тепловое отжиг, обещают. Дельта-допинг — вставка монослоя атомов допанта во время роста — может достичь чрезвычайно высокой плотности листового носителя с уменьшенным рассеянием по сравнению с объемным допингом. Модуляция допинга , широко используемая в AlGaN / GaN HEMTs, пространственно отделяет ионизированные примеси от канала, повышая мобильность до значений, превышающих 2000 см2 / V·s для 2DEG.

Заключение

Уровни примесей в нитриде галлия являются ключевым рычагом для настройки его электрической проводимости от высокоизолирующих до металлоподобных. Взаимодействие между намеренными допантами (Si для n-типа, Mg для p-типа) и непреднамеренными загрязнителями (C, O, H) определяет концентрацию, мобильность и, в конечном счете, производительность светодиодов, силовых транзисторов и радиочастотных устройств. Достижение оптимальной проводимости требует тщательного контроля над концентрацией допинга для балансирования генерации несущей против компенсации и потерь рассеяния. Продолжающиеся исследования неглубоких акцепторов, передовых процессов активации и новых допинговых геометрий продолжают раздвигать границы того, что может доставить GaN. По мере созревания инженерии примесей электроника на основе GaN станет еще более эффективной, надежной и повсеместной в энергокритических приложениях.

Для дальнейшего чтения о физике допинга в полупроводниках с широким диапазоном пропускания см. этот обзор допинговых проблем GaN . Роль компенсации углерода в буферах GaN подробно описана в этом исследовании . Принципы измерения эффекта Холла для полупроводников можно найти здесь . Практические допинговые стратегии для устройств питания GaN обсуждаются в этой статье . Обзор активации допинга Mg в GaN доступен здесь .