Centra defektowe w wysokorezystywnych warstwach epitaksjalnych GaN

• Autorzy: Kamiński P. , Kozłowski R. , Kozubal M. , Żelazko J. , Miczuga M.

Warianty tytułu

EN

Defect centres in high-resistivity epitaxial GaN

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Metodę wysokorozdzielczej, niestacjonarnej spektroskopii fotoprądowej (HRPITS) zastosowano do badania centrów defektowych w warstwach epitaksjalnych GaN otrzymanych metodą MOCYD. Metodę tę wykorzystano do badania centrów kompensujących w warstwach GaN:Mg typu p poddanych obróbce termicznej w 780°C, a także w niedomieszkowanych, wysokorezystywnych warstwach GaN osadzonych na podłożach Al₂O₃ i 6H-SiC: V. Dominującym mechanizmem aktywacji atomów magnezu podczas obróbki termicznej warstw GaN:Mg jest rozpad neutralnych kompleksów Mg-H. Domieszkowaniu magnezem towarzyszy proces samokompensacji polegający na tworzeniu się kompleksów Mg-V_N, które są głębokimi donorami (E_c-0,59 eV) kompensującymi płytkie akceptory Mg_Ga- (Ev+0,17 eV). Określono centra defektowe biorące udział w kompensacji ładunkowej niedomieszkowanej, wysokorezystywnej warstwy GaN, stanowiącej warstwę buforową dla tranzystora HEMT, osadzonej na podłożu Al₂O₃ z warstwą zarodkową AlN. Otrzymane wyniki wskazują, że w mechanizmie kompensacji biorą udział nie tylko defekty rodzime, ale również atomy zanieczyszczeń Si, C, O i H. Stwierdzono, że struktura defektowa niedomieszkowanej warstwy GaN osadzonej na podłożu SI 6H-SiC:V z warstwą zarodkową GaN jest złożona, podobnie jak warstwy osadzonej na podłożu Al₂O₃ z warstwą zarodkową AlN.

EN

High-resolution photoinduced transient spectroscopy (HRPITS) was employed to study defect centres in epitaxial GaN grown by MOCVD technique. This method was applied to investigate compensation centres in p-type GaN:Mg epitaxial layers, as well as in the undoped high-resistivity GaN layers grown on both Al₂O₃ and 6H-SiC:V substrates. It was found that the main mechanism leading to the electrical activation of Mg atoms in epitaxial layers of GaN:Mg is the decomposition of neutral Mg-H complexes. Doping with magnesium involves a self-compensation process consisting in the formation of Mg-V_N complexes, which are deep donors (E_c-0.59 eV) compensating shallow acceptors Mg_Ga (E+0.17 eV). Defect centres responsible for charge compensation in a high-resistivity GaN HEMT buffer layer, grown on a sapphire substrate with an AlN nucleation layer, were detected. The obtained results indicate that the compensation is either due to native defects or due to contamination with Si, C, O and H atoms. The defect structure of an undoped, high-resistivity GaN layer, with a GaN nucleation layer grown on a SI 6H-SiC:V substrate, proved to be significantly complex, just as in the case of the layer grown on an the Al₂O₃ substrate with an AlN nucleation layer.

Słowa kluczowe

PL

HRPITS; centrum defektowe; GaN

EN

HRPITS; defect center; GaN

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 39, nr 1
• Strony: 18--35
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kamiński P.

autor

Kozłowski R.

autor

Kozubal M.

autor

Żelazko J.

autor

Miczuga M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa,

Bibliografia

• [1] Glaser E.R., Carlos W.E., Braga G.C.B., Freitas, Jr, J.A., Moore W.J., Shanbrook B.V., Henry R.L., A.E. Wickenden, D.D. Koleske, H. Obloh, P. Kozodoy, S.P. DenBaars, U.K. Mishra: Magnetic resonance studies of Mg-doped GaN epitaxial layers grown by organometallic chemical vapor deposition, Phys. Rev. B, 65, (2002) 085312
• [2] Kaufmann U., Kunzer M., Obloh H., Maier M., Manz Ch., Ramakrishnan A., Santic B.: Origin of defect-related photoluminescence bands in doped and nominally undoped GaN, Phys. Rev. B 59, (1999) 5561
• [3] Soh C.B., Chua S.J., Lim H.F., Chi D.Z., Liu W., Tripathy S.: Identification of deep levels in GaN as-sociated with dislocations, J. Phys. Condens Matter., 10(2004) 6305-6315
• [4] Reshchikov M.A., Morkoc H.: Luminescence properties of defects in GaN, J. Appl. Phys., 97, (2005) 061301
• [5] Bandic Z.Z., Bridger P.M., Piquett E.C., McGill T.C.: Minority carrier diffusion length and lifetime in GaN, Appl. Phys. Lett., 12, (1997) 3166-3168
• [6] Lee L., Chang F.C., Chung H.M., Lee M.C., Chen W.H., Chen W.K., Huang B.R.: Dependence of deep level concentrations on ammonia flow rate in n-type GaN films, Chin. J. Phys., 40, (2002) 424-428
• [7] Pawłowski M., Kamiński P., Kozłowski R., Jankowski S., Wierzbowski M.: Intelligent measuring system for characterisation of defect centres in semi-insulating materials by photoinduced transient spectroscopy, Metrology and Measurement Systems, XII, (2005) 207-228
• [8] Pawłowski M., Kamiński R, Kozłowski R., Kozubal M., Żelazko J.: Obrazowanie struktury defektowej kryształów półizolującego GaAs poprzez analizę relaksacyjnych przebiegów fotoprądu z zastosowaniem odwrotnego przekształcenia Laplace’a, Materiały Elektroniczne, T. 34 nr 1/2, (2006) 48-75
• [9] Hurtes Ch., Boulou M., Mitonneau A., Bois D.: Deep-level spectroscopy in high-resistyvity materials, Appl. Phys. Lett., 32 (12), (1978) 821-823
• [10] Fairman R.D., Morin F.J., Oliver J.R.: The influence of semi-insulating substrates on the electrical properties of high-purity GaAs buffer layers grown by vapour-phase epitaxy, Ins. Phys. Conf. Ser. No. 45: Chapter 2, (1979) 134-143
• [11] Kamiński R: Zastosowanie niestacjonarnej spektroskopii głębokich poziomów do badania struktury defektowej półprzewodników typu AIIIBV, Prace ITME, 36, (1991)
• [12] Kamiński R, Pawłowski M., Ćwirko R., Palczewska M., Kozłowski R.: Digital analysis of photo-induced current transients in semi-insulating GaAs and InP, Proceedings SPIE, 2780, (1996) 133-136
• [l3] Kamiński R, Pawłowski M., Ćwirko R., Palczewska M., Kozłowski R.: Investigation of deep-level defects in semi-insulating GaAs and InP by analysis of photo-induced current transient, Materials Science & Engineering, B42, (1996) 213-216
• [14] Kamiński P., Pawłowski M., Kozłowski R., Ćwirko R., Palczewska M.: High resolution PITS studies of deep-level defects in semi-insulating GaAs and InP, Solid State Crystals-Materials Science and Applications, Proceedings SPIE, 3178, (1997) 246-250
• [15] Kozłowski R.: Niestacjonarna spektroskopia fotoprądowa o dużej rozdzielczości jako nowa metoda badania centrów defektowych w półprzewodnikach wysokorezystywnych, rozprawa doktorska, ITME, Warszawa 2001
• [16] Yasutake K., Kakiuchi H., Takeuchi A., Yoshii K., Kawabe H.: Deep-level charcterization in semi-insulating GaAs bu photo-induced current and Hall effect transient spectroscopy, J. Mat. Science: Materials in Electronics, 8, (1997) 239-345
• [17] Provencher S.: CONTIN: A generał purpose program for inverting noisy linear algebraic and integral equations, Comp. Phys. Comm., 27, (1982) 229-242
• [18] Bube R.I., Photoelectronic properties of semiconductors, Cambridge University Press, 1992
• [19] Kozłowski R.: Wyznaczanie czasu życia nośników ładunku i poziomów rekombinacyjnych w materiałach wysokorezystywnych poprzez pomiar temperaturowej zależności fotoprądu, Mater. Elektr., 28, (2000) 5-17
• [20] Gelhausen O., Phillips M.R., Goldys E.M., Paskova T., Monemar B., Strassburg M., Hoffman A.: Formation and dissociation of hydrogen-related defect centers in Mg-doped GaN, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 798, (2004) Y5.20.1
• [21] Gotz W., Johnson N.M., Bour D.P.: Local vibrational modes of the Mg-H acceptor complex in GaN, Appl. Phys. Lett., 69, (1996) 3725
• [22] Litwin-Staszewska E., Suski T., Piotrzkowski R., Grzegory L, Robert J.L., Kończewicz L., Wąsik D., Kamińska E., Cote D., Clerjaud B.: Temperature dependence of electrical properties of gallium-nitride bulk single crystals doped with Mg and their evolution with annealing, J. Appl. Phys., 89, (2001) 7960-7965
• [23] Neugebauer J., Van de Walie C.G.: Role of hydrogen in doping of GaN, Appl. Phys. Lett., 66, (1929) 1929
• [24] Myers S.M., Wright A.F., Sanati M., Estreicher S.K., Theoretical properties of the N vacancy in p-type GaN (Mg,H) at elevated temperatures, J. Appl. Phys., 99, (2006) 113506
• [25] Kozłowski R., Kamiński P, Pawłowski M., Żelazko J., Strupiński W: Badanie kinetyki fotoprądu w warstwach epitaksjalnych wysokorezystywnego azotku galu metodą niestacjonarnej spektroskopii fotoprądowej. Sprawozdanie z wykonania pracy naukowo-badawczej (14-1-1023-5), Warszawa, ITME 2006
• [26] Armstrong A., Arehart A.R., Green D., Mishra U.K., Speck J.S., Ringel S.A.: Impact of deep levels on the electrical conductivity and łuminescence of gallium nitride codoped with carbon and silicon, J. Appl. Phys., 98, (2005) 053704
• [27] Wright A.F.: Substitutional and interstitial carbon in wurtzite GaN, J. Appl. Phys., 92, (2002) 2575
• [28] Van de Walie C.G., Neugebauer J.: First-principles calculations for defects and impurities: Applications to III-nitrides, J. Appl. Phys., 95, (2004) 3851
• [29] Kim D.J., Ryu D.Y., Bojarczuk N.A., Karasinski J., Guha S., Lee S.H., Lee J.H.Ł Thermal activation energies of Mg in GaN:Mg measured by the Hall effect and admittance spectroscopy, J. Appl. Phys., 88 (2000) 2564-2569
• [30] Piotrzykowski R., Litwin-Staszewska E., Suski T., Grzegory L, Study of dopant activation in bulk GaN:Mg, Physica B 308-310 (2001) 47-50
• [31] Birkle U., FehrerM., Kirchner V., Einfeldt S., Hommel D., Strauf S., Michler P., Gutowski J.: Studies on carbon as alternative p-type, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res., 4S1, (1999) G5.6
• [32] Hautakangas S., Oila J., Alatalo M., Saarinen K.. Liszkay L., Seghier D., Gislason H.P.Ł Vacancy defect as compensating centres in Mg-doped GaN, Phys. Rev. Lett., 90 (2003) 137402
• [33] Hacke P., Nakayama H., Detchprohm T., Hiramatsu K., Sawaki N.Ł Deep levels in the upper band-gap region of ligtly Mg-doped GaN, Appl. Phys. Lett., 68 (1996) 1362-1364
• [34] Nakano Y., Kachi T.: Current deep-level transient spectroscopy investigation of acceptor levels in Mg-doped GaN, Appl. Phys. Lett., 79 (2001) 1631-1633
• [35] Chadi D.J.: Atomic origin of deep levels in p-type GaN: Theory, Appl. Phys. Lett., 71 (1997) 2970-2971
• [36] Mattila T., Seitsonen A.P., Nieminen R.M.: Large atomie displacements associated with the nitrogen antisite in GaN, Phys. Rev. B 54, (1996) 1474
• [37] Gregie J.M., Korotkov R.Y., Wessels B.W.: Deep Level Formation in Undoped and Oxygen-Doped GaN, Mat. Res. Soc. Symp., 639, (2001) Gll.56.1
• [38] Hongbo Y, Caliskan D., Ozbay E.: Growth of high crystalline quality semi-insulating GaN layers for high electron mobility transistor applications, J. Appl. Phys., 100, (2006) 033501
• [39] Armani N., Grillo V., SaMati G., Manfredi M., Pavesi M., Chini A., Meneghesso G., and Zanoni E.: Characterization of GaN-based metal-semiconductor field-effect transistors by comparing electroluminescence, photoionization, and cathodeluminescence spectroscopies, J. Appl. Phys., 92, (2002) 2401
• [40] Mireles F., Ulloa S.E.: Zeeman splitting of shallow donors in GaN, Appl. Phys. Lett., 74, (1999) 248
• [41] Chen X. D., Huang Y, Fung S., Beling C. D., Ling C. C., Sheu J. K., Lee M. L., Chi G. C., Chang S. J.: Deep level defect in Si-implanted GaNn+-p junction, Appl. Phys. Lett., 82, (2003) 3671
• [42] Torres Y.J.B., Oberg S., Jones R.: Theoretical studies of hydrogen passivated substitution magnesium acceptor in wurzite GaN, MRS Internet. J. Nitride Semicond. Res. 2, (1997) Article 35
• [43] Wetzel C., Volm D., Meyer B.K., Pressel K., Nilsson S., Mokhov E.N., Baranov P.G.: GaN epitaxial layers grown on 6H-SiC by the sublimations sandwich technique, Appl. Phys. Lett., 65, (1994) 1033