Дислокационная структура эпитаксиальных слоев гетероструктур AlGaN/GaN/α-Al2O3 при легировании слоя GaN углеродом и железом

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.

1. Liliental-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.2016.08.059

2. Morkoç 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: 10.1002/9783527628438

3. Polyakov 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.2015.05.001

4. Dong-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: 10.1088/0268-1242/30/3/035010

5. Li 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: 10.1063/1.4937575

6. Feng 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.2007.08.032

7. Manmohan 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).pdf

8. Cui 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: 10.1088/1674-4926/36/10/103002

9. Lipski 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.pdf

10. 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: 10.1063/1.4993180

11. Polyakov 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: 10.1149/2.0191610jss

12. Simpkins 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: 10.1063/1.1586952

13. Енишерлова 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: 10.17073/1609-3577-2015-3-221-228

14. Говорков 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.

15. Енишерлова 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: 10.17073/1609-3577-2016-2-114-122

16. Енишерлова К. Л., Лютцау А. В., Темпер Э. М. Однокристальная рентгеновская дифрактометрия гетероструктур. М.: ОАО НПП «Пульсар», 2016. С. 144.

17. 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.2010.05.085

18. Zhang 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: 10.1063/1.2159547

19. Choi 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: 10.1116/1.2366542