Defectanalyse in Mg-geïmplanteerde vs. Mg-gedopte GaN-lagen op vrijstaande substraten

Samenvatting

Ondoelmatige Mg-geïnduceerde p-type doping is een groot obstakel gebleven in de ontwikkeling van GaN-gebaseerde elektronische apparaten voor solid-state verlichting en stroomtoepassingen. Deze studie rapporteert een vergelijkende structurele analyse van defecten in GaN-lagen op vrijstaande GaN-substraten waar Mg-incorporatie plaatsvindt via twee benaderingen: ionenimplantatie en epitaxiale doping. Scanning transmissie-elektronenmicroscopie onthulde het bestaan van piramidale en lijndefecten alleen in het Mg-geïmplanteerde monster, terwijl het Mg-gedopte monster deze defecten niet vertoonde, wat suggereert dat de aard van defecten afhangt van de incorporatiemethode. Uit secundaire-ionen-massa-spectrometrie (SIMS) wordt een directe correspondentie waargenomen tussen Mg-concentraties en de locatie en het type van deze defecten. Onze onderzoeken suggereren dat deze piramidale en lijndefecten Mg-rijke species zijn en hun vorming kan leiden tot verminderte vrije gatendichtheden, wat nog steeds een grote zorg is voor p-GaN-gebaseerde materialen en apparaten. Aangezien vrijstaande GaN-substraten een platform bieden voor de realisatie van p-njunctie-gebaseerde verticale apparaten, is een vergelijkend structureel onderzoek van defecten ontstaan door verschillende Mg-incorporatieprocessen in GaN-lagen op dergelijke substraten waarschijnlijk meer inzicht te geven in Mg-zelfcompensatiemechanismen en vervolgens het optimaliseren van Mg-doping en/of implantatieprocessen voor de vooruitgang van GaN-gebaseerde apparatuurtechnologie.

Inleiding

Over de laatste drie decennia is GaN uitgegroeid tot een van de meest onderzochte samengestelde halfgeleiders over de hele wereld. Dit is voornamelijk vanwege zijn enorm potentieel niet alleen in solid-state verlichtingstoepassingen, maar ook in hoog-vermogen, hoge-frequentie, en hoge-temperatuur operaties. Voor succesvolle inzet van op GaN en gerelateerde heterostructuren gebaseerde apparaten in dergelijke toepassingen en operaties, is controleerbare n-type en p-type doping de sleutelvereiste. In dit opzicht is het bereiken en controleren van n-type doping in GaN-epitaxiale lagen of einkristallen nu in grote mate geoptimaliseerd in vergelijking met de p-type tegenhanger, wat nog steeds een knelpunt is voor zowel academie als industrie. Tot nu toe heeft Mg zich als de meest efficiënte p-type dopant beweten ondanks de hoge activeringsenergie die een grote hoeveelheid Mg-concentraties (rond 10¹⁹ cm⁻³ of meer) vereist om geïmcorporeerd te worden om redelijke vrije gatendichtheden dicht bij 10¹⁸ cm⁻³ te bereiken. Elke toename in Mg-atoomconcentraties boven 10¹⁹ cm⁻³ leidt tot een afname in de vrije gatendichtheid. Dit fenomeen wordt voornamelijk toegeschreven aan de creatie van N-vacatures, Mg-gerelateerde puntdefecten, of Mg-vacature-gerelateerde geladen en/of neutrale complexen die het Ferminiveau verlagen en de vrije gatendichtheden verzadigen. Op basis van fotoluminescentiemetingen die een piek geven bij 2,9 eV, werd ook een diepe donor defectcomplex Mg-V_N gegloveerd als een van de primaire redenen voor het zelfcompensatiemechanisme. Ondanks het aantal significante onderzoeksinspanningen gericht op het begrijpen van Mg-incorporatie in GaN, blijft dit probleem onduidelijk en verdere analyse moet worden uitgevoerd.

De meeste eerdere rapporten over defectanalyse met behulp van atoomschaal microscopische studies zijn gebaseerd op Mg-gedopte GaN-lagen gegroeid op saffier met behulp van metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) of moleculaire-bundel-epitaxie (MBE). Voor zover we weten, zijn er maar weinig rapporten over defectanalyse in Mg-gedopte vrijstaande GaN-substraten en er is geen rapport over transmissie-elektronenmicroscopie-gebaseerde defectanalyse in vrijstaande GaN-substraten waar Mg geïmcorporeerd is via ionenimplantatie. Het is nu algemeen geaccepteerd dat vrijstaande GaN-substraten verschillende voordelen hebben ten opzichte van MOCVD/MBE gegroeide GaN-lagen op vreemde substraten vanwege het verminderde niveau van dislocatiedichtheden en hun toepassingen in efficiënte verticale apparaten. Het bereiken van voldoende p-type dopant activiteit in dergelijke substraten via ionenimplantatie moet worden verkend voor commercialisering en ontwikkeling van GaN-gebaseerde solid-state verlichting en hoog-vermogen apparaten. Al deze kwesties als primair doel houdende, hebben we gedetailleerde structurele analyse uitgevoerd van Mg-geïmcorporeerde defecten in GaN-vrijstaande lagen waar Mg-incorporatie bereikt wordt door doping alsmede ionenimplantatie.

Experimentele methoden

Vrijstaande n-GaN-substraten gegroeid met hydride dampfase-epitaxie worden in onze studie gebruikt. Daarna worden epitaxiale lagen gegroeid door MOCVD op deze substraten. Mg-incorporatie wordt uitgevoerd via twee benaderingen: ionenimplantatie en epitaxiale doping. In het eerste geval wordt Mg geïmplanteerd in een 4-μm-dikke ongedopte GaN-epitaxiale laag zonder het depositieren van een beschermlaag op de ongedopte GaN-lagen, terwijl in het tweede geval een 1-μm-dikke Mg-gedopte GaN epitaxiaal wordt gegroeid op 4-μm-dikke ongedopte GaN-lagen continu. Voor een betrouwbare vergelijking, wordt het niveau van Mg-incorporatie hetzelfde gehouden als 4 × 10¹⁹ cm⁻³ in beide gevallen. De Mg-implantatie wordt uitgevoerd bij 500 °C gevolgd door aanhitting bij 1350 °C voor dopantactivering. De implantatie-energies zijn genomen als 15, 30, 55, 95, en 180 keV met respectieve doseringen van 3,0 × 10¹³, 5,5 × 10¹⁵, 1,1 × 10¹⁴, 1,9 × 10¹⁴, en 8 × 10¹⁴ cm⁻², om een 200-nm-diepe box-profiel te verkrijgen. Hall-metingen worden uitgevoerd om de elektrische eigenschappen van zowel Mg-gedopte als Mg-geïmplanteerde GaN-monsters te evalueren. Voor het Mg-gedopte GaN-monster, worden gatendichtheid en mobiliteit gevonden als 3,4 × 10¹⁷ cm⁻³ en 9,5 cm²/V-s. Aan de andere kant, konden de elektrische eigenschappen van het Mg-geïmplanteerde monster niet goed geëvalueerd worden vanwege de zeer hoge weerstand. De distributie van Mg als functie van de diepte wordt onderzocht met behulp van secundaire-ionen-massa-spectrometrie (SIMS), terwijl scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) analyse gebruikt wordt voor structurele onderzoeken van Mg-geïnduceerde defecten. Hiervoor zijn STEM en elektronen-energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) uitgevoerd met JEOL JEM-ARM200F bediend bij 200 en 80 kV. Voor deze studies, werden TEM-monsters bereid door gefocuste ionenbundel-maling met Ga-bundels gevolgd vloeibare stikstof-gekoelde lage-energie Ar-ionenmaling.

Resultaten en discussie

Defectanalyse in Mg-geïmplanteerde GaN-laag

Figuur 1(a) toont het heldere veld (BF)-STEM-beeld van Mg-geïmplanteerde GaN, terwijl (b) het bijbehorende SIMS-profiel toont. De pijl in Fig. 1(a) vertegenwoordigt de positieve [0001] richting, en beelden worden bekeken langs [11-20] zona-as. Het is te zien dat defecten niet uniform verdeeld zijn als functie van de diepte, in feite wordt een directe correlatie gezien tussen de concentraties van Mg en defecten. De meeste defecten zijn geaccumuleerd op ongeveer 150 nm van het oppervlak waar Mg-concentratie meer dan 10¹⁹ cm⁻³ is zoals waargenomen uit SIMS-metingen. Voor beter begrip van defecten en hun visualisatie door Mg-implantatie in GaN, wordt imaging uitgevoerd in off-zone-as conditie door het monster 10° te kantelen rond de c-as vanaf [11-20] as. Deze conditie verzwakt de diffractiecontrast door perfect kristal en versterkt de defectencontrast wat betere visualisatie van de defecten in vergelijking met de omgeving toelaat. BF-STEM-beeld van Mg-geïmplanteerde GaN-monster genomen onder deze off-zone-as condities wordt getoond in Fig. 1(c) waar enkele lijndefecten gezien worden op een diepte van ongeveer 200 nm van het oppervlak. Het bijbehorende Mg SIMS-profiel wordt gepresenteerd in (d) in lineaire schaal waar een directe correspondentie wordt waargenomen tussen het bestaan van deze lijndefecten en Mg-concentratie. Deze defecten bevinden zich in een smalle regio waar Mg-concentratie ongeveer mid 10¹⁹ cm⁻³ bereik is.

Verder wordt hoog-vergrotings BF-STEM imaging uitgevoerd onder off-zone-as conditie zoals getoond in Fig. 2(a) met (b) het geselecteerde gebied van (a) op een hogere vergroting. Zoals getoond in (b), worden vier soorten structuren gelabeld als A, B, C, en D waargenomen. De defecten gelabeld als "A" zijn van piramidale vorm terwijl "B" lijken op lijndefecten.

De structurele observaties van deze defecten zijn belangrijk vanuit het oogpunt van het begrijpen van Mg-compensatiemechanismen, en de volgende secties van het manuscript zijn voornamelijk gewijd aan structurele analyse van type "A" en "B" defecten. De structuren getoond als "A" zijn piramidale defecten met positieve [0001] richting wijzend naar hun kop, hun basis op [0001] vlak met zes wanden op [11-23] vlakken geneigd zoals getoond door hoog-resolutie TEM-beeld van zo'n defect in Fig. 2(c). De schematische weergave van zo'n piramidaal domein wordt ook getoond in Fig. 2(c). Figuur 2(c) wordt samengeperst loodrecht op [0001] richting zoals getoond in (d) waar het rooster vervormd lijkt in het piramidale domein in vergelijking met de omringende GaN-matrix, wat verplaatsing tussen de Ga- en N-sublattices binnen en buiten deze piramidale domeinen aangeeft. Dit is consistent met de bevindingen van Vennegues et al. waar vergelijkbare typen piramidale domeinen worden waargenomen. Vergelijkbare piramidale vorm defecten zijn eerder waargenomen in Mg-gedopte GaN-films en hun bestaan wordt meestal verklaard door modificatie in GaN-atoomstructuur door Mg-introductie. Liliental-Weber et al. stelden voor dat zulke piramidale defecten ontstaan uit Mg-rijke clusters aanwezig bij de kop van deze pyramiden. De GaN-structuur in wurtzite-fase wordt meestal beschreven door hexagonale stapeling van N-vlakken met de helft van de N-sublattice tetraëdersites gevuld door Ga-atomen. Vennegues et al. stelden op basis van hun onderzoeken voor dat het introduceren van hogere niveaus van Mg in GaN resulteert in de substitutie van Ga door Mg, vormend Mg₃N₂, een Mg-N verbinding die gerapporteerd wordt om antibixbyietstructuur te hebben. De antibixbyietstructuur van Mg₃N₂ correspondeert met de vulling van N-sublattice tetraëdersites door Mg die drie van de vier sites bezit. Volgens het model voorgesteld door Vennegues et al., kan een piramidaal domein beschouwd worden als twee GaN-kristallen van tegengestelde polariteit gescheiden door een monolag van Mg₃N₂. Dit wordt verder ondersteund door de onderzoeken van Hansen et al. waar deze piramidale domeinen voorgesteld werden als Mg₃N₂-inclusies. Vennegues et al. en Leroux et al. rapporteerden ook dat de vorming van dergelijke piramidale domeinen met nanometer-afmetingen ook een Mg-incorporatie van laag tot mid 10¹⁹ cm⁻³ bereik vereist. Dit is consistent met onze bevindingen waar de piramidale vorm defecten waargenomen worden bij lagere tot mid-10¹⁹ cm⁻³ Mg-concentraties zoals gezien uit de correlatie tussen STEM-beeld (Fig. 1(c)) en bijbehorend SIMS-profiel (Fig. 1(d)). Daarom worden de piramidale vorm defecten gelabeld als structuren "A" in Fig. 2(b) van onze studie verondersteld Mg-rijke piramidale domeinen te zijn en hun vorming kan direct gekoppeld worden aan het Mg-compensatiemechanisme in p-GaN-lagen. Andere typen defecten zoals getoond in Fig. 2(b) zijn type "C" en "D" defecten die essentieel vergelijkbare structuren zijn met variatie in hun dimensies. Het contrast dat uitgerekt lijkt langs de [0001] richting wanneer bekeken vanuit [11-20] as, is waarschijnlijk afkomstig van spanning. Voor verdere verduidelijking, wordt hoog-resolutie TEM-beeld van één dergelijk vergelijkbaar defect gepresenteerd in Fig. 2(e) met (f) het getoonde beeld samengeperst loodrecht op [0001] richting. Het vervormde rooster langs [0001] richting suggereert een ander roosterconstante door een ander spanningveld langs deze richting. Omdat Mg kleiner is in vergelijking met Ga, is de incorporatie op Ga-sites verwacht om spanning in het rooster te produceren wat kan leiden tot dit contrast rond deze defecten.

Een ander type defecten, gelabeld als "B" in Fig. 2(b) lijken lijndefecten loodrecht op [0001] richting, wanneer bekeken vanuit [11-20] as. Het is belangrijk te noteren dat dergelijke type defecten geaccumuleerd lijken in een smalle regio met hogere Mg-concentraties (zoals waargenomen uit correspondentie tussen BF-STEM-beeld en Mg SIMS-profiel getoond in Fig. 1(c) en (d)) wat suggereert dat hun vorming geassocieerd is met de over-incorporatie van Mg. Een andere observatie is de aanwezigheid van de piramidale domeinen op de randen van deze lijndefecten wat aangeeft dat accumulatie van deze domeinen kan resulteren in hun vorming. Echter, men moet niet uitsluiten dat het simpelweg een willekeurige overlap van piramidale en lijndefecten kan zijn en verdere onderzoeken zijn nodig in deze richting. Het BF-STEM-beeld dat deze typen defecten toont, wordt gepresenteerd in Fig. 3(a). Voor beter begrip van deze defecten, wordt het monster gekanteld op ongeveer 10° rond de as loodrecht op [0001] richting en het verkregen BF-STEM-beeld wordt getoond in Fig. 3(b). Deze kanteling van het monster exciteert de diffractiepiekten langs 1-100 richting sterk, wat resulteert in versterkt contrast van het spanningveld in de richting omringend het defect. Vanuit dit spanningveldcontrast, bestaat het defect dat als de lijn leek (zie Fig. 2(a) en (b)) eigenlijk uit een paar lijnen gescheiden door enkele nm, dieper in [0001] richting.

Er zou een mogelijkheid kunnen zijn van de aanwezigheid van Mg in deze defecten aangezien ze verschijnen in de smalle regio waar Mg-concentratie hoger is dan 10¹⁹ cm⁻³ zoals waargenomen uit de correspondentie tussen STEM-beeld (Fig. 1(c)) en Mg SIMS-profiel (Fig. 1(d)). Om deze overtuiging van deze typen defecten Mg te hebben te valideren, voerden we scanning transmissie-elektronenmicroscopie-energie-dispersieve spectroscopie (STEM-EDS) metingen uit met EDS-proefdiameter minder dan 0,2 nm, op twee verschillende regio's: "weg van defect" en "bij defect" gelabeld als punten 1 en 2 respectievelijk zoals getoond in Fig. 4(a). De vergelijkende EDS-spectra van punten 1 en 2 in het energiegebied van 1,19 keV tot 1,35 keV waar Mg-piek verwacht wordt, worden geplot in Fig. 4(b) met inset die het volledige EDS-spectrum toont. De aanwezigheid van Mg is duidelijk zichtbaar bij defect (punt 2). Om dit verder te rechtvaardigen, hebben we STEM-EDS-kartering uitgevoerd op een vergelijkbaar Mg-geïmplanteerd GaN-monster. Figuur 4(c) presenteert STEM-beeld van Mg-geïmplanteerde GaN-monster met naar beneden wijzende pijlen die deze lijndefecten tonen, en de bijbehorende EDS-kaart van Mg wordt getoond in Fig. 4(d). De aanwezigheid van Mg is duidelijk zichtbaar in deze defecten. Daarom bevatten deze defecten Mg en hun vorming bij Mg-concentraties hoger dan 10¹⁹ cm⁻³ is waarschijnlijk een andere oorzaak van Mg-compensatie.

Defectanalyse in Mg-gedopte GaN-laag

Vervolgens hebben we structurele onderzoeken uitgevoerd op het GaN-monster waar 1-μm dikke Mg-gedopte GaN-laag epitaxiaal gegroeid is op 4-μm-dikke ongedopte GaN-epitaxiale laag. Het is de moeite waard om nogmaals te vermelden dat het niveau van Mg hetzelfde gehouden wordt, d.w.z., 4 × 10¹⁹ cm⁻³ voor een zinvolle vergelijking tussen twee benaderingen van Mg-incorporatie: epitaxiaal gedopt en ionenimplantatie. Figuur 5(a) toont BF-STEM-beeld van Mg-gedopte GaN epitaxiaal gegroeid op vrijstaande GaN-substraten, bekeken langs [11-20] terwijl (b) Mg-profiel als functie van GaN-diepte verkregen met SIMS toont. Let op dat Mg-concentratie bijna constant blijft op ongeveer 4 × 10¹⁹ cm⁻³ binnen het zichtsveld van Fig. 5(a) (tot 700 nm) in tegenstelling tot het eerdere geval van Mg-geïmplanteerde GaN waar Mg-concentratie functie was van GaN-diepte (zie Fig. 1(a)–(d)).

Om defectanalyse in Mg-gedopte GaN-monster uit te voeren, wordt STEM-imaging in off-zone-as conditie uitgevoerd door het monster te kantelen op 10° rond c-as vanaf [11-20] as. Figuren 6(a) en (b) vertegenwoordigen de BF-STEM en DF-STEM beelden waar stip-achtige defecten met een grootte van ongeveer 5 nm waargenomen worden uniform verdeeld over het monster. Let op dat Mg-profiel ook uniform lijkt in dit geval zoals waargenomen uit SIMS-profiel (zie Fig. 5(b)). De uniforme distributie van Mg en deze defecten over het GaN-monster suggereert een directe correlatie tussen deze defecten en Mg-incorporatie. Deze stip-achtige defecten van ongeveer 5 nm zijn waarschijnlijk neerslag van Mg (en mogelijk geïnduceerde stapelfouten door het). Vanwege hun kleine grootte, kon Mg-neerslag zelf niet direct bevestigd worden door EDS-metingen (Ga- en Mg-pieken liggen dicht bij elkaar wat kartering van kleine concentratieverschillen extreem moeilijk maakt).

Deze observatie is volledig anders dan het eerdere geval van Mg-geïmplanteerd monster waar defecten gevonden worden geaccumuleerd op 200 nm van het oppervlak waar Mg-concentratie maximaal was. Daarnaast, in tegenstelling tot het Mg-geïmplanteerde monster, observeerden we geen piramidale en twee-lijndefecten (gelabeld als A en B in Fig. 2(b)) in Mg-gedopte GaN-monster. Interessant genoeg worden piramidale en lijndefecten ook gerapporteerd in GaN-monsters waar Mg geïmcorporeerd is door technieken anders dan ionenimplantatie. Bijvoorbeeld, Khromov et al. rapporteerden het bestaan van piramidale defecten in Mg-gedopte GaN-monsters gegroeid door MOCVD. Echter, observeerden ze dergelijke defecten alleen in hoger gedopte GaN-monster waar Mg-concentratie ongeveer ~ 5 × 10¹⁹ cm⁻³ was. Echter, in monsters met Mg ~ 2 × 10¹⁸ cm⁻³, werden deze piramidale domeinen niet waargenomen. Vennegues et al. observeerden ook zulke piramidale domeinen in MOCVD gegroeide Mg-gedopte GaN-monsters met Mg-concentraties liggend in de mid 10¹⁹ cm⁻³ bereik. Ze observeerden dergelijke defecten niet in monster met Mg-concentraties lager dan 10¹⁹ cm⁻³. In ons werk, wordt vergelijkbaar niveau van Mg ~ 4 × 10¹⁹ cm⁻³ geïmcorporeerd via ionenimplantatie en epitaxiale doping om de aanwezigheid van deze defecten te analyseren. Deze defecten worden alleen waargenomen in Mg-geïmplanteerd monster, niet in Mg-gedopt monster wat suggereert dat Mg-distributie ook overwogen moet worden voor het verklaren van hun bestaan. Uit SIMS-metingen, wordt Mg gevonden non-uniform verdeeld in het Mg-geïmplanteerde monster (Fig. 1(b) en (d)) terwijl Mg-gedopt monster uniforme distributie van Mg toonde (Fig. 5(b)). Bovendien, in Mg-geïmplanteerd monster, werden deze defecten gevonden alleen in een smal venster met hogere Mg-concentratie in vergelijking met de omringende matrix. Daarom is de vorming van deze defecten gekoppeld aan het niveau van geïmcorporeerde Mg en distributie van Mg en ze zijn waarschijnlijk gevormd in regio's waar Mg ligt in het bereik van 10¹⁹ cm⁻³. Het lijkt erop dat non-uniforme Mg-profiel in Mg-geïmplanteerd monster leidt tot een non-uniforme distributie van defecten. Echter, men moet niet de mogelijkheden ontkennen zoals non-uniform verdeelde defecten veroorzakend non-uniforme Mg-distributie of afhankelijkheid van Mg-implantatieprofiel op bestaan van dergelijke defecten; daarom zijn verdere onderzoeken nodig in deze richting. Onze vergelijkende analyse van defecten in Mg-geïmcorporeerde GaN suggereert dat de aard en het type van de defecten afhankelijk is van de incorporatiemethode.

Conclusies

Samenvattend, scanning transmissie-elektronenmicroscopie-gebaseerde structurele onderzoeken van defecten in Mg-geïmplanteerde en Mg-gedopte epi-lagen op vrijstaande GaN-substraten onthulden dat de aard van defecten sterk afhangt van de methode van Mg-incorporatie. Mg-geïmplanteerde GaN toonde de aanwezigheid van piramidale domeinen wijzend naar [0001] richting en twee-lijndefecten met kenmerken gescheiden door enkele nanometers dieper in [0001] richting. Piramidale domeinen worden verondersteld Mg₃N₂-gebaseerde structuren te zijn terwijl lijndefecten ook Mg bevatten zoals waargenomen uit energie-dispersieve spectroscopie. Deze lijndefecten bevinden zich op een diepte van ongeveer 200 nm van het oppervlak, in een smalle regio met Mg-concentratie van ongeveer mid 10¹⁹ cm⁻³ wat suggereert dat hun vorming gekoppeld is aan het niveau van geïmplanteerde Mg-concentratie. De vorming van deze defecten in GaN bij Mg-implantatie wordt verwacht significant bij te dragen aan Mg-zelfcompensatiemechanismen leidend tot ondoelmatige p-type doping. In tegenstelling, Mg-gedopt GaN-monster toonde alleen de aanwezigheid van stip-achtige defecten die uniform verdeeld zijn over het hele monster. Huidige studie die de afhankelijkheid van Mg-incorporatiemethode en zijn concentraties op de aard en het type defecten benadrukt, kan nuttig blijken voor het kiezen van het juiste hoeveelheid Mg te incorporeren voor het bereiken van hoge p-type geleiding in GaN-gebaseerde materialen voor efficiënte apparaatoperatie.

Afkortingen

ADF

Annulaire donker veld

BF

Helder veld

EDS

Energie-dispersieve spectroscopie

MBE

Moleculaire-bundel-epitaxie

MOCVD

Metaal-organische chemische dampdepositie

SIMS

Secundaire-ionen-massa-spectrometrie

STEM

Scanning transmissie-elektronenmicroscopie