mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2017-4-272-283mateltech-410Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSДислокационная структура эпитаксиальных слоев гетероструктур AlGaN/GaN/α-Al2O3 при легировании слоя GaN углеродом и железомDislocation structure of the AlGaN/GaN/α-Al2O3 heterostructures epitaxial layers at doping GaN with С and FeРусакТ. Ф.RusakT. F.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187 

ЕнишерловаК. Л.EnisherlovaK. L.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187 

Enisherlova@pulsarnpp.ruЛютцауА. В.LutzauA. V.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187 

СарайкинВ. В.SaraykinV. V.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187 

КорнеевВ. И.KorneevV. I.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187 

АO «НПП»Пульсар»РоссияJ&C “S&PE “Pulsar”Russian Federation201727012021204272283Copyright © Русак Т.Ф., Енишерлова К.Л., Лютцау А.В., Сарайкин В.В., Корнеев В.И., 20192019Русак Т.Ф., Енишерлова К.Л., Лютцау А.В., Сарайкин В.В., Корнеев В.И.Rusak T.F., Enisherlova K.L., Lutzau A.V., Saraykin V.V., Korneev V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/410

В работе исследовано влияние процесса легирования железом и углеродом эпитаксиального слоя GaN на сапфире на особенности роста эпитаксиальных пленок и их дислокационную структуру. При исследовании использовались методы: масс-спектроскопия вторичных ионов, селективное химическое травление на сферических шлифах, а также однокристальная дифрактометрия. Показано, что легирование в процессе роста эпитаксиального слоя GaN углеродом может приводить к значительному уменьшения плотности дислокаций в эпитаксиальных слоях. Показано, что для образцов, легированных железом, характерно уменьшение количества коротких дислокаций, расположенных в объеме структуры, но образуется большое количество протяженных дислокаций, способствующих диффузии железа в рабочие области гетероструктур, что может отрицательно влиять на электрические параметры структур. В ходе работы предложена методика определения плотности дислокаций в эпитаксиальных пленках с использования двух схем селективного травления сферических шлифов, которая позволяет определять распределение плотности дислокаций по глубине эпитаксиальных пленок.

The aim of this work was to study the influence of the iron and carbon doping of the epitaxial GaN layer on sapphire on the growth features of epitaxial films and their dislocation structure. Investigation methods used were: mass spectroscopy of secondary ions, selective chemical etching on spherical sections, and also single-crystal diffractometry.It is shown that doping during growth of an epitaxial GaN layer with carbon can lead to a significant decrease in the dislocation density in epitaxial layers.It has been shown that for samples doped with iron, a decrease in the number of short dislocations located in the bulk of the structure is characteristic, but a large number of extended dislocations are generated contributing to the diffusion of iron into the working regions of heterostructures, which can adverselyinfluence on the electrical parameters of the structures. In the course of the work, a technique for determining the density of dislocations in epitaxial films was proposed using two schemes of selective etching of spherical thin sections, which makes it possible to determine the dislocation density distribution over the depth of epitaxial films.

нитридная гетероструктурабуферный слой GaNдислокациямасс-спектроскопия вторичных ионовсферический шлифселективное химическое травлениеоднокристальная дифрактометрияблочностькристаллографическая плоскостьnitride heterostructureGaN buffer layerdislocationsecondary ion mass spectroscopyspherical sectionselective chemical etchingsingle-crystal diffractometrymosaic structurecrystallographic planeReferencesLiliental-Weber Z., dos Reis R., Weyher J. L., Staszczak G., Jakieła R. The importance of structural in homogeneity in GaN thin films // J. Crystal Growth. 2016. V. 456. P. 160—167. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.08.059Liliental-Weber Z., dos Reis R., Weyher J. L., Staszczak G., Jakieła R. The importance of structural in homogeneity in GaN thin films. J. Crystal Growth, 2016, vol. 456, pp. 160—167. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.08.059Morkoç H. Handbook of nitride semiconductors and devices. Vol. 1. Materials properties, physics and growth. Weinhiem: Wiley-VCH Verlag GmbH& Co. KGaA, 2008. P. 817—1191. DOI: 10.1002/9783527628438Morkoç H. Handbook of nitride semiconductors and devices. Vol. 1. Materials properties, physics and growth. Weinhiem: Wiley-VCH Verlag GmbH& Co. KGaA, 2008, pp. 817—1191. DOI: 10.1002/9783527628438Polyakov A. Y., Lee I.-H. Deep traps in GaN-based structures as affecting the performance of GaN devices // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2015. V. 94. P. 1—56. DOI: 10.1016/j.mser.2015.05.001Polyakov A. Y., Lee I.-H. Deep traps in GaN-based structures as affecting the performance of GaN devices. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2015, vol. 94, pp. 1—56. DOI: 10.1016/j.mser.2015.05.001Dong-Seok Kim, Chul-Ho Won, Hee-Sung Kang, Young-Jo Kim, Yong Tae Kim, In Man Kang, Jung-Hee Lee. Growth and characterization of semi-insulating carbon-doped/undoped GaN multiple-layer buffer // Semicond. Sci. Technol. 2015. V. 30, N 3. P. 035010 (6 p). DOI: 10.1088/0268-1242/30/3/035010Dong-Seok Kim, Chul-Ho Won, Hee-Sung Kang, Young-Jo Kim, Yong Tae Kim, In Man Kang, Jung-Hee Lee. Growth and characterization of semi-insulating carbon-doped/undoped GaN multiple-layer buffer. Semicond. Sci. Technol., 2015, vol. 30, no. 3, p. 035010 (6 p). DOI: 10.1088/0268-1242/30/3/035010Li X., Bergsten J., Nilsson D., Danielsson Ö., Pedersen H., Rorsman N., Janzén E., Forsberg U. Carbon doped GaN buffer layer using propane for high electron mobility transistor applications: Growth and device results // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 107, Iss. 26. P. 26105 (15 p). DOI: 10.1063/1.4937575Li X., Bergsten J., Nilsson D., Danielsson Ö., Pedersen H., Rorsman N., Janzén E., Forsberg U. Carbon doped GaN buffer layer using propane for high electron mobility transistor applications: Growth and device results. Appl. Phys. Lett., 2016, vol. 107, no. 26, p. 26105 (15 p). DOI: 10.1063/1.4937575Feng Z. H., Liu B., Yuan F. P., Yin J. Y., Liang D., Li X. B., Feng Z., Yang K. W., Cai S. J. Influence of Fe-doping on GaN grown on sapphire substrates by MOCVD // J. Cryst. Growth. 2007. V. 309, Iss. 1. P. 8—11. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2007.08.032Feng Z. H., Liu B., Yuan F. P., Yin J. Y., Liang D., Li X. B., Feng Z., Yang K. W., Cai S. J. Influence of Fe-doping on GaN grown on sapphire substrates by MOCVD. J. Cryst. Growth, 2007, vol. 309, no. 1, pp. 8—11. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2007.08.032Manmohan Agrawal, Shreyash Pratap Singh, Nidhi Chaturvedi. Concept of buffer doping and backbarrier in GaN HEMT // International Journal of ChemTech Research. 2014–2015. V. 7, N 2. P. 921—927. URL: http://sphinxsai.com/2015/ch_vol7_no2_ICONN/7/NE26%20(921-927).pdfManmohan Agrawal, Shreyash Pratap Singh, Nidhi Chaturvedi. Concept of buffer doping and backbarrier in GaN HEMT. Int. J. ChemTech Res., 2014–2015, vol. 7, no. 2, pp. 921—927. URL: http://sphinxsai.com/2015/ch_vol7_no2_ICONN/7/NE26%20(921-927).pdfCui Lei, Yin Haibo, Jiang Lijuan, Wang Quan, Feng Chun, Xiao Hongling, Wang Cuimei, Gong Jiamin, Zhang Bo, Li Baiquan, Wang Xiaoliang, Wang Zhanguo. The influence of Fe doping on the surface topography of GaN epitaxial material // Journal of Semiconductors. 2015. V. 36, N 10. P. 103002. DOI: 10.1088/1674-4926/36/10/103002Cui Lei, Yin Haibo, Jiang Lijuan, Wang Quan, Feng Chun, Xiao Hongling, Wang Cuimei, Gong Jiamin, Zhang Bo, Li Baiquan, Wang Xiaoliang, Wang Zhanguo. The influence of Fe doping on the surface topography of GaN epitaxial material. Journal of Semiconductors, 2015, vol. 36, no. 10, p. 103002. DOI: 10.1088/1674-4926/36/10/103002Lipski F. Semi-insulating GaN by Fe-doping in hydride vapor phase epitaxy using a solid iron source // Annual Report. Ulm University, Institute of Optoelrctronucs, 2010. P. 63—70. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/befe/2434893df4f74d14ca62dc740f709a13190d.pdfLipski F. Semi-insulating GaN by Fe-doping in hydride vapor phase epitaxy using a solid iron source. Annual Report. Ulm University, Institute of Optoelrctronucs, 2010. Pp. 63—70. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/befe/2434893df4f74d14ca62dc740f709a13190d.pdf.Fariza A., Lesnik A., Neugebauer S., Wieneke M., Hennig J., Bläsing J., Witte H., Dadgar A., Strittmatter A. Leakage currents and Fermi-level shifts in GaN layers upon iron and carbon-doping // J. Appl. Phys. 2017. V. 122, Iss. 2. P. 025704-1—025704-6. DOI: 10.1063/1.4993180Fariza A., Lesnik A., Neugebauer S., Wieneke M., Hennig J., Bläsing J., Witte H., Dadgar A., Strittmatter A. Leakage currents and Fermi-level shifts in GaN layers upon iron and carbon-doping. J. Appl. Phys., 2017, vol. 122, no. 2, pp. 025704-1—025704-6. DOI: 10.1063/1.4993180Polyakov A. Y., Smirnov N. B., Dorofeev A. A., Gladysheva N. B., Kondratyev E. S., Shemerov I. V., Turutin A. V., Ren F., Pearton S. J. Deep traps in AlGaN/GaN high electron mobility transistors on SiC // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2016. V. 5, Iss. 10. P. Q260—Q265. DOI: 10.1149/2.0191610jssPolyakov A. Y., Smirnov N. B., Dorofeev A. A., Gladysheva N. B., Kondratyev E. S., Shemerov I. V., Turutin A. V., Ren F., Pearton S. J. Deep traps in AlGaN/GaN high electron mobility transistors on SiC. ECS J. Solid State Sci. Technol., 2016, vol. 5, no. 10, pp. Q260—Q265. DOI: 10.1149/2.0191610jssSimpkins B. S., Yu E. T., Waltereit P., Speck J. S. Correlated scanning Kelvin probe and conductive atomic force microscopy studies of dislocations in gallium nitride // J. Appl. Phys. 2003. V. 94, Iss. 3. P. 1448—1453. DOI: 10.1063/1.1586952Simpkins B. S., Yu E. T., Waltereit P., Speck J. S. Correlated scanning Kelvin probe and conductive atomic force microscopy studies of dislocations in gallium nitride. J. Appl. Phys., 2003, vol. 94, no. 3, pp. 1448—1453. DOI: 10.1063/1.1586952Енишерлова К. Л., Русак Т. Ф., Корнеев В. И., Зазулина А. Н. Влияние качества подложек SiC на структурное совершенство и некоторые электрические параметры пленок AlGaN/GaN» // Известия вузов. Материалы электрон. техники. 2015. Т. 18, № 3. С. 221—228. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-3-221-228Enisherlova K. L., Rusak T. F., Korneev V. I., Zazulina A. N. Effect of SiC substrate properties on structural perfection and electrical parameters of AlGaN/G layers. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering., 2015, vol. 18, no. 3, pp. 221—228. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2015-3-221-228Говорков А. В., Поляков А. Я., Югова Т. Г., Смирнов Н. Б., Петрова Е. А., Меженный М. В., Марков А. В., Ли И. Х., Пиртон С. Д. Идентификация дислокаций и их влияние на процессы рекомбинации носителей тока в нитриде галлия // Поверхность, Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. 2007. № 7. C. 18—20.Govorkov A. V., Polyakov A. Ya., Yugova T. G., Smirnov N. B., Petrova E. A., Mezhennyi M. V., Markov A. V., Lee I.-H., Pearton S. J. Identification of dislocations and their influence on the recombination of charge carriers in gallium nitride. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2007, vol. 1, no. 4, pp. 380—385. DOI: 10.1134/S1027451007040039Енишерлова К. Л., Горячев В. Г., Сарайкин В. В., Капилин С. А. Нестабильность емкости ВФ-характеристик при измерении гетероcтруктур AlGaN/GaN и НЕМТ-транзисторов на их основе // Известия вузов. Материалы электрон. техники. 2016. Т. 19, № 2. C. 114—122. DOI: 10.17073/1609-3577-2016-2-114-122Enisherlova K. L., Goryachev V. G., Saraykin V. V., Kapilin S. A. The instability of the CV characteristics’ capacitance when measuring AlGaN/GaN-heterostructures and the HEMT-transistors based on them. Russian Microelectronics, 2017, vol. 46, no. 8, pp. 591—599. DOI: 10.1134/S1063739717080066Енишерлова К. Л., Лютцау А. В., Темпер Э. М. Однокристальная рентгеновская дифрактометрия гетероструктур. М.: ОАО НПП «Пульсар», 2016. С. 144.Enisherlova K. L., Lutzau A.V., Temper E.M. Odnokristal'naya rentgenovskaya difraktometriya geterostruktur [Single-crystal X-ray diffractometry of heterostructures]. Moscow: J&C “S&PE “Pulsar”, 2016. P. 144. (In Russ.)Lei Zhang, Yongliang Shao, Yongzhong Wu, Xiaopeng Hao, Xiufang Chen, Shuang Qu, Xiangang Xu. Characterization of dislocation etch pits in HVPE-grown GaN using different wet chemical etching methods // J. Alloys and Compounds. 2010. V. 504, Iss. 1. P. 186—191. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.05.085Lei Zhang, Yongliang Shao, Yongzhong Wu, Xiaopeng Hao, Xiufang Chen, Shuang Qu, Xiangang Xu. Characterization of dislocation etch pits in HVPE-grown GaN using different wet chemical etching methods. J. Alloys and Compounds, 2010, vol. 504, no. 1, pp. 186—191. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.05.085Zhang H., Miller E. J., Yu E. T. Analysis of leakage current mechanisms in Schottky contacts to GaN and Al0.25Ga0.75N∕GaN grown by molecular-beam epitaxy // J. Appl. Phys. 2006. V. 99, Iss. 2. P. 023703. DOI: 10.1063/1.2159547Zhang H., Miller E. J., Yu E. T. Analysis of leakage current mechanisms in Schottky contacts to GaN and Al0.25Ga0.75N∕GaN grown by molecular-beam epitaxy. J. Appl. Phys., 2006, vol. 99, no. 2, p. 023703. DOI: 10.1063/1.2159547Choi Y. C., Pophristic M., Peres B., Spencer M. G., Eastman L. F. Fabrication and characterization of high breakdown voltage AlGaN∕GaN heterojunction field effect transistors on sapphire substrates // J. Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 2006. V. 24, Iss. 6. P. 2601—2605. DOI: 10.1116/1.2366542Choi Y. C., Pophristic M., Peres B., Spencer M. G., Eastman L. F. Fabrication and characterization of high breakdown voltage AlGaN∕GaN heterojunction field effect transistors on sapphire substrates. J. Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 2006, vol. 24, no. 6, pp. 2601—2605. DOI: 10.1116/1.2366542

The authors declare that there are no conflicts of interest present.