Диссертация (1149385), страница 8
Текст из файла (страница 8)
к появлениювстроенного электрического поля. Встроенное электрическое поле и спин-орбитальное взаимодействие в монокри-Рис. 1.19 Схема зонной структуры вюрцита GaN [100]ны на подзоны A, B, C, схема которой представлена на рис. 1.19. Величины такого расщеплениясталле GaN приводят к расщеплению Г-точки валентной зорассчитываются по формуле:1||∆1,2 = 2 [∆ + ∆ ∓ √(∆ −||∆┴3282) + 9 ∆┴ ],где ∆┴ =17,1 мэВ, ∆ =18,5 мэВ и Δcr=9 мэВ [100].
Значения ∆1,2 равны 6 мэВ и 20мэВ соответственно.361.4.2. Дефекты кристаллической структуры GaN и их рекомбинационныесвойства1.4.2.1. Гетероэпитаксия GaN на сапфире. Прорастающие дислокацииИз-за отсутствия коммерчески доступных подложек нитрида галлия, этот материал длябольшинства задач получают гетероэпитаксиально на таких подложках, как сапфир, карбидкремния и кремний. Каждая из этих подложек имеет свои достоинства и недостатки.Сапфир является наиболее используемой подложкой для роста твёрдых растворов GaN,AlxGa1-xN, InxGa1-xN.
Кристаллы сапфира хорошего качества значительно дешевле карбид кремниевых, стабильны при высокой температуре, и технология роста нитридов на сапфире достаточно развита. Кристаллическая ориентации сапфира и GaN, выращенного на с-плоскости(0001) сапфира, параллельны, но элементарная ячейка GaN повёрнута на 30° вокруг оси «с» относительно ячеек сапфира. Ось [1100] GaN параллельна оси [1210] сапфира. Рассогласованиепостоянных решётки между сапфиром и нитридом галлия составляет приблизительно 15%, чтоприводит к высокой плотности дислокаций в растущем кристалле [102]. Коэффициент теплового расширения сапфира больше, чем у нитрида галлия. Данный аспект приводит к сжимающемунапряжению в выращиваемом кристалле при охлаждении с ростовой температуры порядка1100°С до комнатной.
Теплопроводность сапфира невелика (0.25 Вт/см·К при 100°С), чтоухудшает теплоотвод от приборов, полученных на подложке сапфира, по сравнению с другимиподложками [102]. Более того сапфир является диэлектриком и, следовательно, невозможно создание приборов с вертикальным расположением электрических контактов, что уменьшает эффективную площадь подложки, усложняя производство и увеличивая его стоимость.
И наконец,в процессе роста происходит неконтролируемое легирование GaN кислородом из подложки,которое приводит к увеличению концентрации свободных электронов. Но несмотря на все вышеописанные недостатки сапфира в качестве подложки для роста GaN, низкая стоимость подложек сапфира и современное развитие гетеропитаксиальных методов роста GaN с использованием ряда буферных слоёв позволяет снизить на 1-1.5 порядка плотность дислокаций в активной зоне светодиодов и проводящих каналах HEMT транзисторов, что оставляет сапфир наиболее используемым материалом для cветодиодов на основе III-нитридов [103].37(А)(Б)Рис.
1.20 (А) Формирования прорастающих дислокаций. Красный цвет – винтовые дислокации, синий – краевые. (Б) Зависимость плотности дислокаций от толщина кристалла GaN[104]Вышеописанные особенности роста GaN на сапфире могут приводить к таким структурным дефектам, как дислокации несоответствия [105], прорастающие дислокации, дефекты упаковки, инверсионные домены [106], V-дефекты (питы) [107–109]. Дислокации несоответствиярасположены параллельно подложке и не дают вклада в плотность прорастающих дислокаций(ПД).
Принято считать, что винтовые ПД появляются на начальных этапах роста в зародышах(рис. 1.20 (А) красные линии), последующее разрастание зародышей при их коалесценции приводит к появлению краевых ПД в GaN (рис. 1.20 (А) синие кривые) [110]. ПД, как правило,сгруппированы вместе, образуя дислокационные стенки и оставляя некоторый объем в эпитаксиальном слое свободным от дефектов. При дальнейшем росте происходит увеличение размеров зародышей, благодаря чему плотность ПД в GaN падает (рис. 1.20 (Б) [104]). Типичныетолщины плёнок твёрдых растворов GaN в готовых устройствах составляют 3-6 мкм, т.е.
характерная плотность ПД составляет ~ 108-109 см-2.В процессе роста появляются следующие типы ПД:а-тип (чисто краевая дислокация), ba=1/3<1120>с-тип (чисто винтовая дислокация), bс=<0001>а+с-тип (смешанная дислокация), ba+с =1/3<1123>38Процентное содержание различных типов дислокаций зависит от условий роста, но в целом распределение имеет следующие цифры: а-тип ~ 70%, а+с тип ~ 20%, с-тип ~ 10%[1,105,107].1.4.2.2. Электрические свойства дислокаций в GaNПрорастающие дислокации в нитриде галлия в подавляющем большинстве случаев экспериментально соотносятся с безызлучательными центрами рекомбинации [112], также являются причинами повышенных токов утечки диодов [113].
Исследованию влияния прорастающих дислокаций, как наиболее распространённому дефекту, на электронную структуру кристаллов GaN и устройств на его основе посвящено огромное количество как экспериментальных [114–117], так и теоретических работ [59,111,118–122].Теоретические расчёты методом теории функционала плотности (ТФП) показали, чтокраевые ПД должны иметь различные структуры ядер в различных условиях роста и уровняхлегирования [123]. Так в работе [111] рассмотрено 4 возможные конфигурации краевой дислокации (а-тип), и с помощью ТФП для каждой из конфигураций посчитаны уровни в запрещённой зоне.
Показано, что 3 из 4 конфигураций дают широкий спектр глубоких состояний, которые в свою очередь могут быть центрами жёлтой люминесценции в GaN (Рис. 1.21). И толькодислокация, ядро которой представляет собой удалённый ряд атомов Ga (т.е. вакансии Ga), имеетэнергетические уровни вблизи валентной зоны и зоны проводимости. Аналогичная ситуация состоит ис винтовыми прорастающими дислокациями (с-тип),создающими широкий набор состояний в запрещённой зоне, и тем самым, являющихся безызлучательными центрами рекомбинации и высокой проводимостью вдоль линии дислокации [124], оказываянаиболее пагубное влияние на токи утечки [125].Расчёт электронной структуры смешанных дислокаций (а+с-тип) также демонстрирует широкий спектрРис.
1.21 Энергетическая диаграммауровней краевой дислокации четырёхразличных комбинаций: заполненноеядро, полое ядро, оканчивающаяся вакансиями Ga и вакансиями N [111].глубоких уровней [111,121].Первые ТФП расчёты различных частичных дислокаций, как и дислокационных диполейв базисной плоскости показали также наличие глубоких уровней в запрещённой зоне, лежащихвыше валентной зоны Ev +0.7-2 эВ [120].
Однако, недавние теоретические расчёты в работах[58,59] предсказывают наличие только мелких уровней вблизи ядра совершенной винтовойдислокации в базисной плоскости, что нашло своё подтверждение при изучении оптическихсвойств дислокаций данного типа.39Применение экспериментальных методов, таких как нестационарной ёмкостной спектроскопии основных (DLTS) и неосновных (MCTS/ODLTS) носителей тока, продемонстрировало наличие большого числа электронных и дырочных уровней, предсказанных в теоретическихработах.
Наиболее полный обзор глубоких уровней в GaN приведён в работе [126]. Ниже будутприведены результаты нескольких работ по исследованию влияния непосредственно прорастающих дислокаций на электронный спектр кристаллов GaN.ПЭМ и DLTS исследования кристаллов GaN с толщинами от 2 до 60 мкм, показали что,концентрация электронных уровней с энергией активации 0.2 – 0.9 эВ (рис. 1.22 (А)) [127,128],и дырочных уровней с энергиями активации 0.6 – 0.9 эВ [129] уменьшается с увеличением толщины образцов, и, следовательно, с уменьшением плотности ПД. Из рис. 1.22 (А) видно, чтопики D, C (125-175 K) полностью пропадают в плёнках с толщиной больше 30 мкм.
DLTS иMCTS исследование кристалла с обоих сторон (Ga и N -полярностями), отделившегося от подложки, показало также корреляцию концентрации большинства уровней с плотностью дислокаций на различных сторонах кристалла [114].(А)(Б)Рис. 1.22 (А) DLTS спектры, полученные на кристаллах GaN разной толщины [127]. (Б) Спектры DLTS кристаллов GaN, выращенных на подложке сапфира(нижний спектр), и на подложке GaN (верхний спектр) [130].Вместе с тем, электронный уровень с энергией Ec–0.23 эВ (~150 К), являющийся общимдля кристаллов, выращенными различными методами роста (MBE, HVPE или MOCVD), и ввыше описанных работах коррелирующий с плотностью дислокаций, проявился и для MOCVDGaN кристаллов, выращенных гомоэпитаксиально (рис. 1.22 (Б)) [130]. Электронный уровеньEc-0.58 эВ (~300 K) также проявляется в гомоэпитаксиальных слоях GaN и в тоже время характерен для образцов с низкой плотностью дислокаций.
Более того в работе [131] продемонстрировано, что поведение пиков с подобными энергиями аналогично поведению точечных дефектов.40Интерпретация природы одних и тех же пиков иногда варьируется от работы к работе,что возможно вызвано тем, что ПД в процессе роста активно взаимодействуют с различнымиточечными дефектами/комплексами, и разделение свойств протяжённых дефектов от точечныхдефектов становится трудновыполнимым или практически невозможным.1.4.2.3. Рекомбинационные свойства дефектов в GaNИзучение влияния дислокаций на оптические/рекомбинационные свойства кристалловGaN является актуальной задачей, связанной с необходимостью повышения квантового выходасветодиодов синего и УФ диапазонов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
