WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Низкочастотный шум в n-GaN © Н.В. Дьяконова, М.Е. Левинштейн, S. Contreras, W. Knap, B. Beaumont†, P. Gibart† Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия G.E.S., UMR-CNRS 5650, cc074, Universite Montpellier II, Place Eugene Bataillon, F-34095 Montpellier, France † CRHEA, rue Bernard Gregory, F-06560 Valbonne, France (Получена 9 сентября 1997 г. Принята к печати 15 сентября 1997 г.) Низкочастотный шум исследован в гексагональном нитриде галлия (GaN) n-типа проводимости с равновесной концентрацией электронов при 300 K n0 = 7 · 1017 см-3. Частотные и температурные зависимости спектральной плотности шума SI/I2 исследованы в диапазоне частот анализа 20 Гц < f < 20 кГц в области температур 80 < T < 400 K. Во всем исследованном диапазоне температур темновой шум близок к зависимости SI/I2 1/ f (фликкер-шум). Уровень шума слабо зависит от температуры и характеризуется весьма высоким значениям постоянной Хоуге 5 7, что указывает на низкий уровень структурного совершенства материала. Впервые исследовано влияние инфракрасной и зона-зонной подсветки на низкочастотный шум в GaN. Фотоны с энергией Eph < Eg (Eg — ширина запрещенной зоны) не влияют на низкочастотный шум даже при сравнительно высоком уровне фотопроводимости / 0.5. Зона-зонная подсветка (Eph > Eg) влияет на уровень низкочастотного шума во всей исследованной области температур.

При сравнительно высокой температуре характер влияния подсветки качественно сходен с влиянием зоназонной подсветки на низкочастотный шум в Si и GaAs. При относительно низких температурах характер влияния подсветки на шум в GaN качественно отличается от данных, полученных ранее для Si и GaAs.

1. Введение совершенна и методы поверхностной обработки и изготовления контактов нуждаются в оптимизации [11,12].

Нитрид галлия (GaN) принадлежит к числу полу- Тем не менее, насколько нам известно, данные об уровне проводниковых материалов, которые исследуются в по- низкочастотного шума в GaN в литературе отсутствуследние годы наиболее интенсивно. Успехи в техно- ют. В настоящей работе исследован низкочастотный шум в образцах нитрида галлия n-типа проводимости с логии этого прямозонного полупроводника с широкой концентрацией электронов при комнатной температуре запрещенной зоной (Eg = 3.4эВ) продемонстрировали n0 = 7 · 1017 см-3.

перспективность его использования для изготовления голубых и фиолетовых светодиодов и лазеров [1,2], ультрафиолетовых фотодетекторов, приборов с исполь2. Условия эксперимента зованием поверхностных акустических волн и т. д. (см., например, серию обзоров [1–3] в бюллютене MRS, Исследовались образцы гексагонального политипа nN2, февраль 1997). Высокое значение максимальной GaN, полученные эпитаксией на сапфировой подложке.

скорости электронов vmax и насыщенной скорости vs (vmax 2.7 · 107 см/с, vs 1.5 · 107 см/с [4–5]) в сочета- На подложке выращивался при 600C буферный слой GaN толщиной 250, затем слой GaN толщиной 0.8 мкм нии с большой шириной запрещенной зоны делают GaN исключительно перспективным материалом для высо- при 1080C, затем слой AlN толщиной 200 (1080C).

Поверх слоя AlN при 1080C выращивался исследуемый котемпературной высокочастотной электроники. Уже в слой GaN толщиной 1.0 мкм с концентрацией электронов настоящее время с использованием GaN и соединений при комнатной температуре n0 = 7 · 1017 см-3.

на его основе созданы полевые транзисторы с частотой генерации, превосходящей 70 ГГц [6]. Контакты Ni–Au наносились на поверхность пленки.

Расстояние между токовыми контактами L составляло Хорошо известно, что уровень низкочастотного шума 2240 мкм, расстояние между потенциальными контакявляется одним из важнейших параметров любого СВЧ генератора и фотодетектора, часто определяющим воз- тами l = 140 мкм. Две пары потенциальных и две пары токовых контактов позволяли качественно судить можность практического использования прибора. Кроме о степени однородности электрофизических параметров того, уровень низкочастотного шума позволяет судить образца.

о степени структурного совершенства материала [7,8], а исследование поверхностного и контактного шума Среднее значение холловской подвижности при может быть использовано для неразрушающего контро- T = 300 K составляло µH 45 см2/В · с. С понижением ля качества как готовых приборов, так и отдельных температуры µH слегка возрастает и достигает макситехнологических операций [9,10]. Это особенно важно мальной величины µH 60 см2/В · с при T 100 K.

для GaN, поскольку, несмотря на впечатляющие успехи Вычисленная по данным холловских измерений глубина технологии последних лет, структура слоев недостаточно залегания донорного уровня составила Ed 260 мВ.

286 Н.В. Дьяконова, М.Е. Левинштейн, S. Contreras, W. Knap, B. Beaumont, P. Gibart Измеренное значение подвижности при 300 K и слабая нием R0. Все это указывает на достаточно хорошее температурная зависимость подвижности свидетельству- качество контактов и относительно невысокий потенциют о значительном уровне компенсации материала [13]. альный барьер в приконтактной области [14].

Измерения, проведенные на различных парах холловских Известно, однако, что даже относительно слабая неои потенциальных контактов, указывают на существенную мичность контактов может приводить к резкому росту неоднородность электрофизических параметров. низкочастотных шумов [15] и отклонению от ”классической” зависимости спектральной плотности шума (SI) от протекающего через образец тока (I): SI I2 [16].

3. Результаты эксперимента На рис. 1 показана зависимость относительной спеки обсуждение тральной плотности шума SI/I2 от протекающего через образец тока I при измерениях по двухточечной схеме, 3.1. Роль контактов когда шум измеряется на тех же контактах, через которые пропускается ток. Видно, что при малых токах На вставке к рис. 1 показаны вольт-амперные харак(I 2мА), что соответствует напряжениям на образце теристики (ВАХ) образца при 77 и 300 K. При наV 2 В, величина SI/I2 растет с уменьшением тока, что пряжениях V 0.7 В точные измерения указывают на прямо указывает на определяющий вклад контактных слабую суперлинейность ВАХ. При V 1.5 2Ввольтшумов в общий шум. Напротив, при I 2 мА величина амперная характеристика практически линейна. Уровень SI/I2 не зависит от I, и отсюда следует, что вкладом коннеомичности, определяемый как отношение сопротивлетактных шумов можно, по-видимому, пренебречь. Измения образца R1c при V < kT ( 10 мВ) к сопротивлерения шумов по четырехточечной (потенциальной) схению R0 при V 2 В, практически постоянен во всем ме, когда образец питался от генератора тока, а входное исследованном температурном диапазоне 77 400 K и сопротивление измерительной схемы на много порядсоставляет R1c/R0 1.15 1.20. Значение сопротивлеков превышало сопротивление между потенциальными ния, рассчитанное исходя из геометрических размеров контактами, обнаружили полное совпадение с данными образца, величины подвижности и измеренных значений двухточечных измерений при больших напряжениях на концентрации, хорошо совпадает с измеренным значеобразце (V 2В).

Отмеченные закономерности характерны для всего исследованного температурного диапазона 77 T 400 K.

3.2. Темновой низкочастотный шум На рис. 2 показаны частотные зависимости относительной спектральной плотности шума при T = 77 K (кривая 1), комнатной температуре (кривая 2) и T = 387 K (кривая 3), измеренные на потенциальных контактах. Видно, что при всех температурах наклон зависимости S( f ) близок к S 1/ f. Уровень шума довольно слабо и немонотонно зависит от температуры.

Шумовые свойства различных материалов часто характеризуют величиной безразмерного параметра Хоуге [17]:

SI = fN, (1) Iгде f — частота анализа, N — полное число носителей.

Для одного и того же материала в зависимости от уровня структурного совершенства материала, наличия внутренних напряжений, плотности дислокаций и т. д.

значения могут различаться на много порядков. Для кремния, например, измеренные величины лежат в пределах от 10-8 до 10-1 (см. ссылки в [8]), для GaAs — от 10-8 до 10-1 [18], для SiC—от 10-6 до 1 [19,20]. Чем выше уровень структурного совершенства материала, Рис. 1. Зависимости относительной спектральной плотности тем меньше величина.

шума SI/I2 от протекающего через образец тока I для разОбъем GaN между потенциальными контактами V личных частот анализа f, Гц: 1 — 20, 2 — 160, 3 — 2560, составлял 140 700 1мкм3 10-7 см-3, что соответ4 — 20 000. T = 300 K. На вставке — вольт-амперные характеристики образца; T, K: 1 — 300, 2 — 77. ствует полному числу носителей в измеряемом объеме Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Низкочастотный шум в n-GaN ного GaAs [21] и чистого GaN [22]. Видно, что даже в чистом GaN с концентрацией остаточной примеси Nd 2 · 1016 см-3 плотность состояний вблизи края зоны проводимости существенно выше, чем в GaAs с уровнем легирования Nd 7 · 1018 см-3.

3.3. Низкочастотный шум в условиях подсветки Для установления природы шума 1/ f в Si и GaAs ранее была успешно применена методика перезарядки неосновными носителями (дырками) уровней, формирующих хвост плотности состояний. Дырки создавались в Si и GaAs с помощью зона-зонной подсветки (см., например, [18]).

В настоящей работе мы впервые исследовали влияние инфракрасной и зона–зонной подсветки на низкочастотный шум в GaN.

Подсветка точечной лампой накаливания мощностью 100 Вт приводила к заметной фотопроводимости (/ 25% при 300 K), однако она не влияла на низкочастотный шум в GaN во всем исследованном температурном диапазоне от 77 до 400 K.

Зона-зонная подсветка осуществлялась с помощью галогенной лампы ГКЛ-100 с кварцевым баллоном, поРис. 2. Частотные зависимости относительвной спектральной зволяющей снимать спектры пропускания вплоть до длин плотности шума SI/I2 при температурах T, K: 1 — 77, волн 0.31 мкм (Eph 4эВ). Между лампой и образ2 — 293, 3 — 387. На вставке — зависимости коэффицом размещались фильтры СЗС-25 + УФС-5. Фильтр циента поглощения от энергии фотонов Eph для чистого УФС-5 практически полностью поглощает излучение GaAs с уровнем легирования Nd 5 · 1013 см-3 (1 ), легив области длин волн 0.42 0.65 мкм; фильтр СЗС-рованного GaAs с Nd 6.7 · 1018 см-3 (2 ) и чистого GaN достаточно эффективно поглощает излучение в области с Nd 2 · 1016 см-3 (3 ) при T = 300 K; стрелками на длин волн 0.7 мкм. В таких условиях основной горизонтальных осях показана ширина запрещенной зоны Eg компонентой подсветки являются фотоны с энергией, GaAs и GaN при 300 K.

близкой к ширине запрещенной зоны GaN (Eg 3.4эВ, 0.36 мкм).

На рис. 3 приведены частотные зависимости отN = n0V 7 · 1010. Таким образом, измеренная величиносительной спектральной плотности шума в темнона при комнатной температуре составляет 5 7.

те и в условиях зона-зонной подсветки при T = Эта величина на порядок больше установленной для SiC и 370 K. Фотопроводимость при T = 102 K составляла в работе [19]. Тем не менее столь большое значение / 37%. При этом в соответствии с выражением постоянной Хоуге при современном уровне техноло- (1) уровень шума должен понизиться на всех частотах гии GaN не является неожиданным. Даже для луч- анализа приблизительно на 1.4 дБ просто за счет увеших образцов GaN плотность дислокаций составляет личения числа носителей. При построении кривой 108 109 см-2. Для образцов нитрида галлия характерен значения SI/I2 увеличены на 1.4 дБ на всех частотах высокий уровень внутренних напряжений, значительные анализа, т. е. кривая 1 приведена к исходной темнонеоднородности и т. д.

вой концентрации носителей. При T = 370 K величина Еще одним параметром, чувствительным к уровню / 9%. При таком значении / погрешность структурного совершенства материала, является плот- из-за увеличения числа носителей меньше точности изность состояний (E) в хвостах плотности состояний мерений шума (±5дБ).

в запрещенной зоне полупроводника вблизи краев зоны Основной качественный результат состоит в том, что проводимости и валентной зоны. Более того, существует зона-зонная подсветка заметно изменяет уровень низпрямая связь между уровнем объемного шума 1/ f в кочастотного шума и что характер влияния подсветки полупроводниках и (E) [8]. О плотности состояний сильно зависит от температуры. На основании этого (E) можно судить по коэффициенту поглощения света результата можно сделать вывод, что, так же как в Si с энергией фотонов Eph, несколько меньшей, чем ширина и GaAs, наблюдающийся в GaN шум определяется запрещенной зоны полупровдника Eg. На вставке к флуктуацией заселенности каких-то групп близко расрис. 2 показаны зависимости коэффициента поглощения положенных уровней или зон плотности состояний в от энергии фотонов (Eph) для чистого и легирован- запрещенной зоне.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 288 Н.В. Дьяконова, М.Е. Левинштейн, S. Contreras, W. Knap, B. Beaumont, P. Gibart При низкой температуре (кривые 1, 1 ) экспериментальные результаты для GaN качественно расходятся с теорией [23]. Видно, что на высоких частотах зоназонная подсветка подавляет шум, в то время как на высоких частотах анализа свет на шум не влияет. Такая ситуация несовместима с предсказанием теории [23].

Заключение Исследование низкочастотного шума в GaN свидетельствует о низком уровне структрного совершенства материала. Чрезвычайно актуальным представляется исследование низкочастотного шума, в том числе и шума 1/ f, в образцах с различным уровнем легирования и подвижности. Первые эксперименты по влиянию зоназонной подсветки на низкочастотный шум в GaN n-типа проводимости свидетельствуют о существенном различии такого влияния в GaN и в исследованных ранее кремнии и арсениде галлия.

Авторы признательны В. Бугрову и И.А. Хребтову за помощь в работе, С. Румянцеву за обсуждение результаРис. 3. Частотные зависимости относительной спектраль- тов.

ной плотности шума в темноте (сплошные кривые) и в Работа поддержана Российским фондом фундаменусловиях зона-зонной подсветки (штриховые кривые) при тальных исследований (грант № 06-02-18563).

T = 102 (1, 1 ) и 370 K (2, 2 ). На вставке — аналогичные зависимости для GaAs с уровнем легирования Nd = 1015 см-при 300 K [24]: a — в темноте, b — при максимальной Список литературы интенсивности подсветки J = J0, c — при интенсивности подсветки J = 10-3J0.

[1] S.J. Pearton, C. Kuo. MRS Bulletin (February, 1997) p. 17.

[2] S. Nakamura. MRS Bulletin (February, 1997) p. 29.

[3] M.S. Shur, M.A. Khan. MRS Bulletin (February, 1997) p. 44.

Однако имеющиеся данные не дают возможности сде- [4] M.A. Littlejohn, J.R. Hauser, T.H. Glisson. Appl. Phys. Lett., лать заключение о характере и локализации этих зон. 26, 625 (1975).

В случае, когда за шум типа 1/ f ответственны флукту- [5] B. Gelmont, K.S. Kim, M. Shur. J. Appl. Phys., 74, (1993).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.