AlN의 도펀트 및 보상에 관한 연구

AlN의 도펀트 및 보상에 관한 연구

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주요 n형 AlN 후보 도펀트는 산소(O)와 실리콘(Si)이고, p형 AlN은 마그네슘(Mg)과 베릴륨(Be)이다. 지금까지 Mg와 O 도핑의 성공률은 매우 낮았습니다. 그러나 O는 Mg와 Be 모두에 대한 중요한 보상 불순물입니다. 왜냐하면 도펀트와 Al 자체가 산소를 흡수하는 경향이 있기 때문입니다. AlN의 도핑을 이해하려면 질소 공공(VN)과 알루미늄 공공(VAl)의 역할과 관련 복합체를 이해하는 것이 필요합니다. 비평형 도핑 방법뿐만 아니라 결함 및 불순물 화학에 대한 현재의 이해는 현재의 기술적 한계를 극복할 수 있는 유망한 접근 방식으로 간주될 것입니다.

1.디또는DAlN의 작동:S일리콘

n형 AlN의 경우 실리콘은 그림 1에서 볼 수 있듯이 원자 반경이 Al의 원자 반경과 매우 가깝기 때문에 최적의 이론적 양이온 공여체입니다(Al은 118pm, Si는 111pm). 실리콘은 활성화 에너지 ED가 약 17meV인 GaN의 얕은 도너이지만, AlGaN에서는 Al 함량이 증가함에 따라 ED가 Al0.85Ga0.15N의 24meV에서 Al0.96Ga0.04N의 211meV로 증가합니다. AlN의 대체 불순물인 실리콘은 가장 가까운 인접 기저 평면 N 결합에서 이론적으로 6%의 수축을 유발합니다. 이는 Si-N c축 결합이 늘어나는 동안 3개의 기본 결합에 더 가까운 실리콘 격자 위치의 감소를 나타냅니다. 실리콘이 2차 전자를 포획하여 기하학적 재배열을 거치면 그림 1과 같이 3개의 기저 위치에서 Si-N 결합이 2% 수축하고 c축 Si-N 결합이 파열되는 DX 중심이 형성됩니다. 얕은 수준에서 깊은 수준 상태로 전환됩니다. 응력 하에서 c축 Si-N 결합이 끊어지면 보상된 깊은 상태가 생성됩니다. 이러한 보상 결함의 존재에도 불구하고, 표면 근처 영역에 이온 주입을 통한 AlN의 n형 도핑은 유망한 결과를 보여주었습니다. 그러나 보상되지 않은 MOCVD AlN 박막의 n형 도핑에서는 재현 가능한 전자 농도가 최대 1015센티미터-3이는 장치의 높은 드리프트 필드 영역에만 적용 가능합니다.

그림 1 (a) AlN에서 Mg 및 Be 수용체의 위치 및 상대적 크기(비례)

그림 1 (a) AlN의 Mg 및 Be 수용체, (b) Si 공여체 및 DX에 의해 재배열된 Si 불순물, (c) 산소 결함으로 대체된 산소 결함의 위치 및 상대적 크기(비례) DX 재배치(비례)

한 기술은 도핑의 타당성을 입증하지만 다른 기술은 그렇지 않다는 점을 고려하면 실리콘 자체가 문제가 될 수는 없습니다. 비평형 및 저온 MBE가 AlN의 n형 도핑에 기여한다는 가설은 다음 두 가지 사항에 기초합니다.

1) 저온을 사용할 때 최소 열팽창이 달성되므로 최소 추가 c축 Si-N 결합 신장이 바람직합니다.

2) Al 공공 Si 복합체에 대한 금속 강화 조건을 최소화하면 이러한 복합체는 Al 공공 O 복합체와 유사한 동작을 나타내어 높은 Si 도핑 수준에서 도너 도핑의 자체 보상을 유도합니다.

이러한 Si 자체 보상은 VAl로 인한 격자 연화로 인한 것으로 추측되며, 이로 인해 c축 Si-N 결합이 더 쉽게 끊어져 보상된 Si-DX 중심이 형성됩니다. O와 마찬가지로 전하 중립성으로 인해 VAl-XSiAl 착물도 고려해야 합니다. 여기서 X는 정수입니다. 따라서 비평형, 저온 및 금속이 풍부한 MBE를 주장하는 것은 AlN의 n형 도핑에 매우 유용합니다.

2. 수락자DAlN의 작동:Mg, 있다C

p형 AlN의 경우 음이온 치환 탄소(C) 및 양이온 치환 Be 및 Mg와 같은 수용체가 실현 가능한 것으로 간주됩니다. 희석 한계에 접근할 때 격리된 수용체 에너지로 인해 이러한 수용체는 깊은 수준의 수용체로 간주되며 이론적으로 보고된 Mg 및 Be에 대한 단일 값 수용체 활성화 에너지는 각각 510~630meV 및 220~340meV 범위입니다. 이러한 큰 활성화 에너지를 감소시키기 위한 불순물 밴드를 형성하는 능력이 없다면, 상당한 기공 농도는 예상되지 않습니다.

그러나 GaN의 높은 도핑 농도에서 보어 오비탈 중첩이 나타나는 것처럼 Mg의 유효 활성화 에너지가 약 210 meV에서 약 50 meV로 감소하여 기공 농도가 1 x 1020센티미터-3. 이는 Al이 최대 약 60%까지 포함된 AlGaN에도 효과적인 것으로 입증되었으며 터널 다이오드도 입증되었습니다.

약 10의 기공 농도 외에도(10) 센티미터-3, Mg는 AlN 도핑에 성공적으로 사용되지 않았습니다. Be를 사용하여 약 3 x 10 의 실온 기공 농도를 얻은 최근 결과18센티미터-3(여기서 보고된 크기는 약 4.4 x 1018센티미터-3) 및 약 37meV의 유효 활성화 에너지는 활성화 에너지의 감소가 달성될 수 있음을 나타냅니다.

질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN)의 비유전율은 각각 8.9, 8.5, 15.3이다. 보고된 무거운 구멍의 유효 질량은 각각 0.8mo, 3.53mo 및 1.63mo입니다. 이는 GaN, AlN 및 InN의 억셉터 밴드에 의해 형성된 Mott 임계 농도가 약 4×1019센티미터-3, 4×1021센티미터-3및 6.5×1019센티미터-3, 각각. 이 단순화된 근사치는 GaN에 대한 금속 변조 에피택시(MME) 실험의 도핑 결과와 잘 일치합니다. 여기서 정공 농도는 1019센티미터-3일상적으로 달성할 수 있습니다. 유사하게, 이러한 예측은 AlN 및 InN이 축퇴 p형 도핑을 겪는 것이 더 어려울 것임을 나타내며, 각각은 불순물 밴드를 형성하기 위해 더 높은 도핑 농도를 필요로 합니다.

AlN의 경우, 불순물 밴드를 형성하는 데 필요한 높은 도핑 농도를 달성하는 것이 처음에는 불가능하다고 간주될 수 있는데, 이는 현재의 실험 결과와 상반됩니다. 그러나 AlN의 고유한 원자가 밴드 구조를 고려할 필요가 있는데, 여기서 분리된 밴드는 실제로 홀 밴드와 라이트 홀 밴드(그림 2 참조)보다 높고 이방성이 높습니다. d-궤도 전자가 부족하기 때문에 결정장 분할 에너지의 부호는 GaN의 부호와 반대입니다. 분할 밴드는 더 큰 곡률을 나타내며 에너지 측면에서 더 넓은 범위의 무거운 홀 밴드와 가벼운 홀 밴드에 위치합니다. 그림 2는 이러한 효과를 고려한 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 보여줍니다. 밀도 함수 이론(DFT)에 의해 계산된 유효 질량은 평행 구성 요소의 경우 3.66mo, 수직 구성 요소의 경우 0.24mo이므로 Mott 임계 농도는 4.3×1021센티미터-3및 1.2×1018센티미터-3, 각각. Mott 임계 농도의 상한과 하한은 AlN 밴드 구조의 고유성을 고려할 때 GaN보다 높은 정공 이동도를 가져올 수 있는 AlN의 불순물 밴드 형성을 예측할 수 있다는 점을 강조하기 위해 제시된 것입니다. p-채널 및 양극성 AlN 장치용.

그림 2 (a) 응력을 받지 않은 AlN 가전자대의 선형 궤적의 밀도 함수형 전자 분산

그림 2 (a) 브릴루앙 구역 내 M, Γ 및 A 대칭점을 따라 우르츠광의 응력이 가해지지 않은 AlN 가전자대(스핀 없음)의 선형 궤적의 밀도 기능적 전자 분산. 영역의 중심에서 분리된 밴드 상태 ΓV1은 단일 축퇴이고, 무겁고 가벼운 홀 상태 ΓV 6은 이중 축퇴입니다. (b) k⊥ 방향을 따른 응력을 받지 않은 우르츠광 AlN 및 GaN의 질적 전자 분산. GaN과 달리 AlN의 가장 높은 원자가 대역은 해리 대역으로, 이는 더 작은 유효 질량을 나타냅니다. 스핀 궤도 상호 작용의 도입은 지역 중심의 무겁고 가벼운 홀 밴드의 축퇴를 완화하여 단일 축퇴 상태 ΓV의 출현을 초래합니다. 17, ΓV9 및 Γ V;27.

파워웨이웨이퍼

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