Исследование легирующих добавок и компенсации AlN

Исследование легирующих добавок и компенсации AlN

PAM-XIAMEN может поставлять монокристаллическую подложку AlN, дополнительную спецификацию см.https://www.powerwaywafer.com/aln-substrate.html.

Основными кандидатами на примеси AlN n-типа являются кислород (O) и кремний (Si), а для AlN p-типа — магний (Mg) и бериллий (Be). До сих пор уровень успеха легирования Mg и O был очень низким. Однако O является важной компенсирующей примесью как для Mg, так и для Be, поскольку как легирующие примеси, так и сам Al имеют тенденцию поглощать кислород. Чтобы понять процесс легирования AlN, необходимо понять роль вакансий азота (VN) и алюминия (VAl) и родственных им комплексов. Современное понимание химии дефектов и примесей, а также методов неравновесного легирования будет считаться многообещающим подходом к преодолению текущих технологических ограничений.

1. DонорDРабота AlN:Sкремний

Для AlN n-типа кремний является оптимальным теоретическим донором катионов, поскольку его атомный радиус очень близок к радиусу Al, как показано на рис. 1 (Al — 118 пм, Si — 111 пм). Хотя в GaN кремний является мелким донором с энергией активации ED около 17 мэВ, в AlGaN с увеличением содержания Al его ED возрастает от 24 мэВ в Al0,85Ga0,15N до 211 мэВ в Al0,96Ga0,04N. Кремний, как примесь-заместитель в AlN, вызывает теоретическое сжатие на 6% в ближайшей соседней N-связи в базисной плоскости. Это указывает на уменьшение положения решетки кремния ближе к трем базальным связям, при котором связи оси c Si-N растягиваются. Когда кремний захватывает вторичный электрон и претерпевает геометрическую перестройку, образуется DX-центр, который включает 2%-ное сжатие связей Si-N в трех базальных положениях и разрыв связи Si-N по оси c, как показано на рис. 1. что приводит к переходу от состояний поверхностного уровня к состояниям глубокого уровня. Когда связь Si-N по оси c под напряжением разрывается, образуется компенсированное глубокое состояние. Несмотря на существование таких компенсационных дефектов, легирование AlN n-типа путем ионной имплантации в приповерхностную область показало многообещающие результаты. Однако при легировании n-типа некомпенсированных тонких пленок AlN, полученных методом MOCVD, воспроизводимая концентрация электронов до 1015см-3отображается, что применимо только к областям поля с высоким дрейфом в устройстве.

Рис. 1. Положение и относительные размеры (пропорциональные) акцепторов Mg и Be в AlN (а).

Рис. 1. Положение и относительные размеры (в пропорциях) акцепторов Mg и Be в AlN (а), примесей Si, перегруппированных донорами Si и DX (б), положения и относительные размеры кислородных дефектов, замещающих кислород и DX (в). Перестановки DX (пропорционально)

Учитывая, что одна технология демонстрирует возможность легирования, а другая — нет, кремний сам по себе не может быть проблемой. Гипотеза о том, что неравновесные и низкотемпературные МЛЭ способствуют легированию AlN n-типа, основана на следующих двух моментах:

1) при использовании низкой температуры достигается минимальное тепловое расширение, поэтому желательно минимальное дополнительное удлинение связи Si-N по оси c;

2) Минимизируя условия обогащения металлами для комплексов Al с вакансиями Si, эти комплексы демонстрируют поведение, подобное комплексам Al с вакансиями O, что приводит к самокомпенсации донорного легирования при высоких уровнях легирования Si.

Предполагается, что эта самокомпенсация Si происходит из-за размягчения решетки, вызванного VAl, что облегчает разрыв связи Si-N по оси c и, таким образом, формирует компенсированный центр Si-DX. Подобно O, из-за зарядовой нейтральности необходимо также учитывать комплекс VAl-XSiAl, где X представляет собой целое число. Поэтому заявление о неравновесном, низкотемпературном и обогащенном металлами МЛЭ очень ценно для легирования AlN n-типа.

2. АкцепторDРабота AlN:Mg, БытьИ C

Для AlN p-типа возможными считаются акцепторы, такие как анионзамещенный углерод (C) и катионзамещенный Be и Mg. При приближении к пределу разбавления изолированные энергии акцепторов приводят к тому, что эти акцепторы рассматриваются как рецепторы глубокого уровня, при этом теоретически сообщаемые однозначные энергии активации акцепторов для Mg и Be находятся в диапазоне от 510 до 630 мэВ и от 220 до 340 мэВ соответственно. Если нет возможности образовывать примесные полосы для снижения этих больших энергий активации, значительной концентрации пор не ожидается.

Однако, как показывает перекрытие орбиталей Бора при высоких концентрациях легирования в GaN, эффективная энергия активации Mg может уменьшиться примерно с 210 мэВ до примерно 50 мэВ, что приведет к концентрации пор 1 x 10 мэВ.20см-3. Также было доказано, что это эффективно для AlGaN с содержанием Al примерно до 60%, и были продемонстрированы туннельные диоды.

Помимо концентрации пор примерно 1010 см-3Mg не был успешно использован для легирования AlN. Недавние результаты использования Be для получения концентрации пор при комнатной температуре примерно 3 x 1018см-3(здесь указано примерно 4,4 x 1018см-3) и эффективная энергия активации примерно 37 мэВ указывают на то, что можно достичь снижения энергии активации.

Относительные диэлектрические проницаемости нитрида галлия (GaN), нитрида алюминия (AlN) и нитрида индия (InN) составляют 8,9, 8,5 и 15,3 соответственно. Сообщаемые эффективные массы тяжелых дыр составляют 0,8 мес, 3,53 мес и 1,63 мес соответственно. Это означает, что критические концентрации Мотта, образованные акцепторными полосами GaN, AlN и InN, составляют примерно 4×1019см-3, 4х1021см-3, и 6,5×1019см-3, соответственно. Это упрощенное приближение хорошо согласуется с результатами экспериментов по легированию металломодулированной эпитаксии (ММЭ) для GaN, где концентрации дырок находятся в диапазоне 1019см-3может быть достигнуто в обычном режиме. Аналогичным образом, эти прогнозы показывают, что AlN и InN будет труднее подвергаться вырожденному легированию p-типа, поскольку каждый из них требует более высокой концентрации легирования для образования примесных полос.

Для AlN первоначально можно считать невозможным достижение высокой концентрации легирования, необходимой для образования примесных полос, что противоречит современным экспериментальным результатам. Однако необходимо учитывать уникальную структуру валентной зоны AlN, где отщепленная зона фактически выше дырочной зоны и зоны легких дырок (см. рис. 2) и имеет высокую анизотропию. Из-за отсутствия d-орбитальных электронов знак энергии расщепления кристаллического поля противоположен знаку GaN. Зона отщепления имеет большую кривизну и располагается в более широком энергетическом диапазоне тяжелых и легких дырочных зон. На рис. 2 показан расчет по теории функционала плотности (DFT), учитывающий этот эффект. Эффективные массы, рассчитанные с помощью теории функционала плотности (DFT), составляют 3,66 мес для параллельного компонента и 0,24 мес для вертикального компонента, что приводит к критическим концентрациям Мотта 4,3 × 10.21см-3и 1,2×1018см-3, соответственно. Верхний и нижний пределы критической концентрации Мотта приведены для того, чтобы подчеркнуть, что, учитывая уникальность зонной структуры AlN, можно предсказать образование примесных полос в AlN, что может привести к более высокой подвижности дырок, чем в GaN, и вселяет надежду. для p-канальных и биполярных устройств AlN.

Рис. 2 (а) Функциональная дисперсия электронов линейной траектории ненапряженной валентной зоны AlN

Рис. 2 (а) Дисперсия электронов функциональной плотности линейной траектории ненапряженной валентной зоны AlN (свободной от спина) вюрцита вдоль точек симметрии M, Γ и A внутри зоны Бриллюэна. В центре области отщепленные зонные состояния ΓV1 имеют синглетное вырождение, тогда как тяжелые и легкие дырочные состояния ΓV6 являются двукратно вырожденными. (б) Качественная электронная дисперсия ненапряженного вюрцита AlN и GaN вдоль направления k⊥. В отличие от GaN, самой высокой валентной зоной в AlN является зона диссоциации, имеющая меньшую эффективную массу. Введение спин-орбитального взаимодействия снимает вырождение зон тяжелых и легких дырок в центре области, что приводит к появлению единственного вырожденного состояния ΓV; 17, ГВ9 и ГВ;27.

Powerwaywafer

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресуvictorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.

Поделиться этой записью