WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 9 Низкочастотный шум в эпитаксиальных слоях нитрида галлия с разной степенью упорядоченности мозаичной структуры ¶ © Н.М. Шмидт, М.Е. Левинштейн, В.В. Лундин, А.И. Бесюлькин, П.С. Копьев, S.L. Rumyantsev, N. Pala, M.S. Shur Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Department of Electrical, Computer, and Systems Engineering, CII 9017, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy NY 12180-3590, USA (Получена 30 января 2004 г. Принята к печати 26 февраля 2004 г.) Впервые исследована корреляция между уровнем шума 1/ f и степенью упорядоченности мозаичной структуры в эпитаксиальных слоях нитрида галлия. Образцы с уровнем легирования Nd - Na 8 · 1016 см-3 и относительно высоким уровнем упорядоченности характеризовались величиной параметра Хоуге 1.5 · 10-3. Полученное значение является рекордно низким для тонких эпитаксиальных пленок GaN. Для образцов с Nd - Na 1.1 · 1018 см-3 и низким уровнем упорядоченности параметр Хоуге был существенно выше ( 5.5 · 10-3), несмотря на то что при равном уровне упорядоченности величина, как правило, уменьшается с увеличением уровня легирования. Таким образом, степень упорядоченности мозаичной структуры сказывается не только на оптических и электрических, но и на флуктуационных характеристиках эпитаксиальных слоев GaN.

Приборы на основе нитрида галлия (GaN) в на- с увеличением T растет, достигает максимума, а затем стоящее время рассматриваются как одни из самых падает с дальнейшим ростом T вследствие фононного перспективных в таких областях электроники, как свето- рассеяния. Для слоев с плохо упорядоченной мозаичной излучающие приборы коротковолновой области спектра, структурой температурная зависимость проводимости „солнечно слепые“ ультрафиолетовые фотоприемники, сильно отличается от этой классической формы и намощные быстродействующие транзисторы и т. д. [1–5]. поминает соответствующие зависимости для низкоразХарактерной особенностью этих материалов являет- мерных структур [10].

ся система протяженных дефектов, включающая высоХорошо известно, что шум 1/ f является одним кую плотность дислокаций и мозаичную (колончатую, из наиболее чувствительных индикаторов структурдоменную) структуру [6]. Ранее было показано, что ной неупорядоченности полупроводников (см., напримногообразие структурных особенностей III-нитридов мер, [11]). Однако, насколько нам известно, никаких можно охарактеризовать количественно, используя тапопыток установить корреляцию между степенью упорякие системные параметры, как степень упорядоченности доченности мозаичной структуры GaN и уровнем шума мозаичной структуры, степень нарушения общей и 1/ f до сих пор предпринято не было.

локальной симметрии, а также уровень самоорганизации В данной работе впервые исследована корреляция системы протяженных дефектов [7]. При этом, чем между уровнем шума 1/ f и степенью упорядоченности меньше значения, тем лучше упорядочена мозаичная мозаичной структуры в эпитаксиальных слоях нитрида структура.

галлия.

Сравнительные исследования структурных свойств эпитаксиальных слоев с разными значениями показали, что для слоев с хорошо упорядоченной мозаичной 1. Условия эксперимента структурой ( <0.340) наблюдается преимущественно когерентное согласование доменов мозаичной структуИсследования проводились на эпитаксиальных слоях ры с образованием дилатационных границ. Для эпинитрида галлия n-типа проводимости, выращенных на таксиальных слоев с плохо упорядоченной мозаичной сапфировых подложках (0001) методом эпитаксии из структурой ( >0.350) характерно преимущественное металлорганических соединений (MOCVD). Слои отформирование дислокационных стенок на границах доличались между собой условиями формирования буменов. При промежуточных значениях оба вида граферного слоя, степенью упорядоченности мозаичной ниц сосуществуют в разных концентрациях [8].

структуры, значениями подвижности µ, и концентраОптические и электрические свойства слоев, а также ции электронов n, и характеризовались следующими механизмы переноса носителей заряда существенно отпараметрами.

личаются в слоях с разными значениями [9]. Для слоев Слой A-598 обладал высокой степенью струкс хорошо упорядоченной мозаичной структурой характурной упорядоченности ( = 0.320). При комнаттерна классическая температурная зависимость провоной температуре концентрация электронов равнялась димости: в области низких температур T проводимость n = Nd - Na 8 · 1016 см-3, холловская подвижность ¶ E-mail: melev@nimis.ioffe.rssi.ru µ = 600 см2/(В · с). Толщина слоя t = 4мкм.

Низкочастотный шум в эпитаксиальных слоях нитрида галлия... Слой B-1261 характеризовался значением = 0.350.

При комнатной температуре концентрация электронов равнялась n = Nd - Na 1018 см-3, подвижность µ = 200 см2/(В · с). Толщина слоя t = 3мкм.

Степень упорядоченности мозаичной структуры определялась путем обработки методами мультифрактального анализа данных, полученных при исследовании поверхностей этих слоев с помощью атомно-силовой микроскопии по методике, описанной в работе [7].

На каждом из слоев создавались омические контакты в виде параллельных полосок длиной W = 240 мкм с различным расстоянием между полосками L:

5 < L < 41 мкм. Низкочастотный шум измерялся в линейном режиме (при малом напряжении, приложенном к исследуемым образцам) в диапазоне частот от 1 Гц Рис. 2. Зависимости спектральной плотности шума SI от до 10 кГц с использованием вольфрамовых зондов с тока I для нескольких образцов из пластины B. Частота анадиаметром острия 10 мкм. Специальная процедура лиза f = 6 Гц. Сплошные линии соответствуют соотношению „притирки“ зондов к поверхности контактов обеспечиSI I2.

вала малое переходное сопротивление между зондом и металлическими контактами.

(rc 1Ом· мм). Меньшее значение rc, естественно, 2. Результаты эксперимента объясняется большей величиной n в пластине B и их обсуждение (n 1018 см-3) [12].

По наклону зависимости R(L), как известно, можно Для каждого из слоев A и B исследовалось несколько определить усредненное значение удельной проводимодесятков образцов с различными значениями L. Для сти нитрида галлия. Значение, определенное из всех образцов вольт-амперные характеристики в исрис. 1, следованном диапазоне токов ( 2 · 10-3-0.2A) были L = линейными. Измерения на образцах с различными рас(R - 2Rc)tW стояниями L позволили определить величину контактносоставляет = 11 (Ом · см)-1 и разумно согласуется с го сопротивления и независимо от данных холловских данными измерений, проделанных до нанесения полоскоизмерений установить значение проводимости слоев.

вых контактов 0 8 (Ом · см)-1. Для пластины B анаВ качестве примера на рис. 1 показаны результаты логичные измерения дают значения 30 (Ом · см)-соответствующих измерений для пластины A.

(0 32 (Ом · см)-1).

Зависимость R(L), продолженная до значения L = 0, Во всех измеренных образцах шум при комнатной определяет значение удвоенного контактного сопро температуре имел форму 1/ f с величиной, близкой тивления 2Rc = 34 Ом. Измеренное значение Rc сок 1 (фликкер-шум). Спектральная плотность токового ответствует удельному контактному сопротивлению шума SI во всем диапазоне токов была пропорциональна rc 4Ом· мм, что при концентрации электронов квадрату тока: SI I2. На рис. 2 в качестве примера n 8 · 1016 см-3 и планарных контактах представляпредставлены зависимости SI(I) для нескольких образется вполне разумной величиной. Аналогичные измецов (пластина B), измеренные на частоте анализа 6 Гц.

рения для пластины B дают значение 2Rc = 8.4Ом Шумовые характеристики различных приборов и материалов, как правило, оцениваются величиной безразмерного параметра Хоуге [13]:

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

Величина весьма чувствительна к структурному совершенству материала (см., например, [14]). Для структурно совершенных пленок Si значение составляет обычно 10-4-10-5. Для эпитаксиальных пленок GaAs характерное значение равняется 10-3-10-5. Для пленок GaN стандартного качества с концентрацией Nd-Na 1017 см-3 величины, как правило, гораздо Рис. 1. Зависимость сопротивления образцов B от расстояния выше и лежат в пределах 10-2-1 [14]. Как было помежду контактами L (для пластины A). казано в работе [15], легирование пленок GaN кремнием Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1038 Н.М. Шмидт, М.Е. Левинштейн, В.В. Лундин, А.И. Бесюлькин, П.С. Копьев, S.L. Rumyantsev...

[5] X. Hu, A. Koudymov, G. Simin, J. Yang, M. Asif Khan, A. Tarakji, M.S. Shur, R. Gaska. Appl. Phys. Lett., 79, (2001).

[6] F.A. Ponce. MRS Bulletin, 22, 51 (1997).

[7] N.V. Shmidt, A.G. Kolmakov, A.D. Kryzhanovsky, V.V. Ratnikov, A.N. Titkov. Inst. Phys. Conf., Ser. 169, 303 (2001).

[8] А.В. Анкудинов, А.Г. Колмаков, В.В. Лундин, В.В. Ратников, Н.М. Шмидт, А.А. Ситникова, А.Н. Титков. Тез. докл.

VI конф. по физике полупроводников (СПб., 2003) с. 92.

[9] N.M. Shmidt, A.I. Besulkin, M.S. Dunaevsky, A.G. Kolmakov, A.V. Sakharov, A.S. Usikov. J. Phys.: Condens. Matter, 14, Рис. 3. Значения параметра Хоуге для образцов, изготов13 025 (2002).

ленных на пленках A и B.

[10] N.M. Shmidt, V.V. Emtsev, A.G. Kolmakov, W.V. Lundin, D.S. Poloskin, A.N. Titkov, A.S. Usikov. Nanotechnology, 12, 471 (2001).

до концентрации Nd-Na 1018 см-3 заметно уменьшает [11] M.E. Levinshtein, S.L. Rumyantsev, M.S. Shur, R. Gaska, значение ( 2 · 10-3). Следовало ожидать поэтому, M. Asif Khan. IEE Proc. Circuits, Devices and Systems что значение параметра Хоуге в пленке B (при равном (Special Issue „Selected topics on noise in semiconductor уровне структурной неупорядоченности) окажется суще- devices“), 149, 32 (2002).

ственно меньше, чем в пленке A. [12] M. Shur. GaAs devices and circuits (Plenum Press, N.Y.–London, 1987).

На рис. 3 показаны значения, рассчитанные в [13] F.N. Hooge, T.G.M. Kleinpenning, L.K.J. Vandamme. Rep.

соответствии с выражением (1) для большого числа Progr. Phys., 44, 479 (1981).

образцов, изготовленных на обеих пленках. Видно, что [14] M.E. Levinshtein, A.A. Balandin, S.L. Rumyantsev, M.S. Shur.

результат эксперимента полностью противоречит предIn: Noise and Fluctuations Control in Electronic Devices, сказанию, основанному на предположении об одинаed. by A. Balandin (American Scientific Publishers, 2002).

ковом структурном совершенстве пленок. Полученный [15] S.L. Rumyantsev, N. Pala, M.S. Shur, R. Gaska, M.E. Levinрезультат выглядит тем убедительнее, что оценки поshtein, M. Asif Khan, G. Simin, X. Hu, J. Yang. Electron.

казывают, что контактный шум, особенно в образцах с Lett., 37, 720 (2001).

малым расстоянием L, должен вносить заметный вклад Редактор Т.А. Полянская в общий шум структур (таким образом, измеренные значения представляют собой оценку „сверху“). МежLow-frequency noise in GaN epilayers ду тем, как показано выше, сопротивление контактов with different degree of order of the к образцам, изготовленным на пленке A, существенно mosaic structure выше, чем контактное сопротивление у образцов на пленке B. Следует заключить, что и вклад контактного N.M. Shmidt, M.E. Levinshtein, W.V. Lundin, шума в общий шум больше для образцов, изготовленных A.I. Besyulkin, P.S. Kopiev, S.L. Rumyantsev, на пленке A. Поэтому разница между объемным шумом N. Pala, M.S. Shur 1/ f в образцах типов A и B еще больше, чем это следует Ioffe Physicotechnical Institute, из рис. 3.

Russian Academy of Sciences, Заметим, что даже полученная оценка „сверху“ для 194021 St. Petersburg, Russia параметра Хоуге в образцах, изготовленных на пла Department of Electrical, стине A, является рекордно низкой для тонких эпитакComputer, and Systems Engineering, сиальных пленок GaN [14].

CII 9017, Rensselaer Polytechnic Institute, Работа выполнена при поддержке Российского фонTroy NY 12180-3590, USA да фундаментальных исследований (проекты № 02-0216496 и № 02-02-17619).

Abstract

The correlation between the level of the 1/ f noise and the degree of mosaic order of the GaN epilayers has been investigated for the first time. Samples with the doping Список литературы level of Nd - Na 8 1016 cm-3 and high degree of order is [1] V. Adivarahan, M. Gaevski, W.H. Sun, H. Fatima, A. Koudy- characterized by values of the Houge parameter 1.5 10-3.

mov, S. Saygi, G. Simin, J. Yang, M. Asif Khan, A. Tarakji, This magnitude of is the lowest reported value for thin GaN M.S. Shur, R. Gaska. IEEE Trans. Electron. Dev., 24, epilayers. For the samples with Nd - Na 1.1 1018 cm-(2003).

and low degree of order, the value of is remarkably larger [2] M.S. Shur, M. Asif Khan. Semicond. Semimet., 57, ( 5.5 10-3) in spite of the fact that for samples with the (2002).

same degree of order the value of decreases, as a rule, as [3] R.J. Trew. Proc. IEEE, 90, 1032 (2002).

doping increases. It was concluded that the degree of the mosaic [4] V. Kumar, W. Lu, R. Schwindt, A. Kuliev, G. Simin, J. Yang, order affected not only optical and electrical, but also fluctuation M. Asif Khan, I. Adesida. IEEE Electron. Dev. Lett., 23, characteristics of GaN epilayers.

(2002).




© 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.