WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 10 Модель электрической изоляции GaN и ZnO при бомбардировке легкими ионами ¶ © А.И. Титов, П.А. Карасев, С.О. Кучеев Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Research School of Physical Sciences and Engineering, The Australian National University, Canberra, ACT 0200, Australia (Получена 30 января 2004 г. Принята к печати 20 марта 2004 г.) Представлена модель формирования электрической изоляции GaN и ZnO под действием облучения быстрыми ионами. В качестве основного процесса, приводящего к снижению концентрации свободных носителей и росту сопротивления, рассматривается образование комплексов, состоящих из атома легирующей примеси и созданного ионным пучком простейшего точечного дефекта. Проведенное сравнение результатов модели и экспериментальных данных по возникновению изоляции, полученных для GaN и ZnO, показывает, что модель способна удовлетворительно описывать происходящие процессы.

1. Введение нено отсутствием информации о природе дефектов, образующих глубокие уровни в запрещенной зоне. Это Большой интерес к широкозонным полупроводнико- могут быть: 1) изолированные точечные дефекты (тавым материалам стимулирован потенциальными воз- кие как вакансии, межузельные атомы, антиструктурные можностями их использования, например, в оптоэлекдефекты) и их кластеры; 2) комплексы, состоящие из тронике и электронике больших мощностей [1,2]. Поточечных дефектов и примесей, ненамеренно внесенных скольку в промышленном производстве одним из наив кристалл в процессе роста; 3) комплексы, состоящие более удобных инструментов является ионная импланиз точечных радиационных дефектов и легирующих тация, большие усилия были направлены на изучение примесей (мелких доноров для кристалла n-типа и взаимодействия ускоренных ионов с данным видом криакцепторов для p-типа).

сталлов.

Кинетика роста поверхностного сопротивления с увеОдной из технологических возможностей применения личением дозы обычно имеет достаточно сложный нелипучков быстрых ионов является создание изолирующих нейный характер [1–11]. Если говорить о нитриде галслоев, разделяющих активные приборы на пластине.

лия, то до недавнего времени была предложена только Так, рядом авторов было экспериментально обнаружено, одна модель [6], которая базировалась на предположечто образующиеся в процессе ионной бомбардировки нии о том, что GaN является поликристаллическим.

нитрида галлия дефекты структуры могут приводить к Изменение проводимости трактовалось в рамках приросту поверхностного сопротивления образцов более ближения переноса электронов в поликристалле, высота чем на 10 порядков [1–6], причем высокое значение межкристаллитного барьера в котором линейно зависит сопротивления в случае GaN сохраняется при отжиге от количества внесенных дефектов (зависимость количедо достаточно высоких температур.

ства последних от дозы облучения также принимается Столь сильный рост сопротивления может быть вылинейной). Однако существующие экспериментальные зван несколькими причинами. Во-первых, появлением в данные [7,8] показывают, что превращения монокризапрещенной зоне глубоких уровней, на которых эффексталлического GaN в поликристалл не происходит, а тивно связываются свободные носители. Во-вторых, дерост сопротивления связан со снижением концентрации градацией подвижности, которая, однако, должна иметь носителей за счет связывания их на образующихся в меньшее влияние на сопротивление, поскольку диапазон процессе облучения глубоких ловушках. Следовательно, ее изменения существенно уже, чем 10 порядков. Это данная модель [6] не адекватна реальности.

подтверждается прямыми экспериментами. Так, в рабоНедавно была предложена другая модель [9] возникте [5] приведены результаты холловских измерений поновения дефектов, приводящих к снижению электропродвижности и концентрации свободных носителей заряда водности в нитриде галлия, которая удовлетворительно и поверхностного сопротивления n-GaN от дозы облуописывает кинетику данного процесса. Она основана чения ионами H+ с энергией 0.6 МэВ, показавшие, что на предположении, что мелкие легирующие уровни снижение проводимости кристалла GaN под действием трансформируются в глубокие путем образования компучка быстрых ионов на 5 порядков сопровождается плексов точечный дефект–легирующий атом. Сравнение снижением подвижности менее чем на порядок.

результатов моделирования в [9] с экспериментом ограПостроение модели, адекватно описывающей измененичивалось в основном данными, полученными при обние сопротивления под действием облучения, затрудлучении GaN быстрыми протонами. Далее мы покажем, ¶ E-mail: titov@phtf.stu.neva.ru что такая сравнительно простая модель вполне может 1216 А.И. Титов, П.А. Карасев, С.О. Кучеев описать экспериментальные данные по изменению по- рующей примесью, характеризуемое константой квазиверхностного сопротивления монокристаллических об- химической реакции. Поскольку характерные времеразцов GaN при облучении их широким набором легких на облучения образца (t > 10 c) намного превышают быстрых ионов, а также и монокристаллов ZnO. среднее время жизни рассматриваемых дефектов, их концентрация n будет слабо зависеть от времени (квазиравновесное приближение), т. е. для каждого момента 2. Модель времени dn/dt 0.

Исходя из вышесказанного получается следующая При движении ускоренного легкого иона в двухсистема уравнений:

компонентном монокристалле образуется целый спектр простейших точечных дефектов, таких как вакансии в gF - n/ - nin(1 - nd/ni) =, (1) обеих подрешетках, межузельные атомы каждого из dnd/d = ninF-1(1 - nd/ni) компонентов и антиструктурные дефекты. Однако до настоящего момента не ясно, какие именно из этих где g — средняя плотность генерации дефектов, создавадефектов или комплексов образуют в запрещенной зоне емых каждым ионом; F — плотность потока ионов; nd — глубокие уровни. В рассматриваемой модели предполаконцентрация образовавшихся комплексов дефект–легигается, что существенную роль в электрической изорующая примесь; ni — концентрация легирующей приляции играет только один из них. Природа его не меси (равная начальной концентрации носителей заряда известна и из-за отсутствия конкретной информации не в образце); = Ft — доза ионов. В первом уравнении обсуждается. Далее, считается, что дефекты этого типа первое слагаемое описывает генерацию точечных деэффективно связываются в комплексы с атомами легируфектов, второе — их рекомбинацию на ненасыщаемых ющей примеси с трансформацией мелких уровней в глустоках, третье — их взаимодействие с легирующей бокие. При этом каждый из образовавшихся комплексов примесью. Второе уравнение рассматривает изменение захватывает один носитель либо из валентной зоны (для концентрации комплексов, формирующих глубокие лополупроводника p-типа), либо из зоны проводимости вушки.

(для полупроводника n-типа), снижая тем самым их Решение системы (1) с очевидным начальным условиконцентрацию. Таким образом, радиационно-индуцироем nd = 0 при = 0 дает следующее трансцендентное ванный рост поверхностного сопротивления вызван в уравнение, связывающее концентрацию комплексов с основном снижением концентрации носителей вследдозой облучения:

ствие их захвата на образовавшиеся глубокие уровни.

Данный подход представляется вполне реалистичным.

ln(1 - nd/ni) = nd(1 - g /nd), (2) Действительно, большинство атомов легирующей прикоторое можно использовать для нахождения nd( ).

меси при комнатной температуре, естественно, всегда находится в заряженном состоянии. Если рассматривае- Концентрация свободных носителей заряда nc и поверхностная концентрация носителей Ns определяются из мые точечные дефекты, предполагаемые неустойчивыми, следующих соотношений:

заряжаются, захватывая основные носители, то знак их заряда оказывается противоположен знаку заряда легиnc = ni - nd = ni(1 - nd/ni); Ns =(nc + nth)h. (3) рующей примеси и между ними должно происходить эффективное взаимодействие.

Здесь h — толщина проводящего слоя, а nth —остаВ экспериментах, с результатами которых будет проточная концентрация носителей при очень больших водиться сравнение модели, деградация электропроводдозах облучения, когда вся легирующая примесь уже ности изучалась для эпитаксиальных проводящих пленок образовала комплексы с дефектами. Ее величина на с достаточно однородным распределением легирующей много порядков меньше начальной концентрации носипримеси, а энергия первичных ионов ( 1МэВ) была телей ni, и, следовательно, она вносит заметный вклад в такова, что генерация простейших дефектов была достасопротивление только при больших дозах. Окончательно точно однородной по всей глубине этих пленок [4,10,11].

поверхностное сопротивление Rs можно найти из следуЭти обстоятельства позволяют не учитывать диффузионющего соотношения:

ное перераспределение концентрации рассматриваемых дефектов. Кроме того, большая глубина проникновения Rs =[eµNs]-1 =[eµh(nc + nth)]-1, (4) первичных ионов позволяет не рассматривать химическое взаимодействие внедряемых атомов с мишенью где e — заряд электрона; µ — эффективная подвижность в пределах проводящего слоя и влияние прыжковой носителей заряда.

проводимости в области, близкой к концу пробега ионов.

В изменение величины поверхностного сопротивлеИтак, рассматриваются: 1) образование простейших ния вносит вклад не только зависимость концентрации точечных дефектов одного типа; 2) их рекомбинация носителей от дозы облучения, но и деградация их на ненасыщаемых стоках, с характерным временем ре- подвижности. На данном этапе в модели не рассматлаксации ; 3) взаимодействие этих дефектов с леги- ривается зависимость подвижности от дозы облучения, Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Модель электрической изоляции GaN и ZnO при бомбардировке легкими ионами Параметры модели, рассчитанные для GaN в приближении n-GaN, полученного методом MOCVD, со структурой изменяющейся и постоянной подвижности и для ZnO в привюрцита, легированного кремнием с толщиной проближении постоянной подвижности водящего слоя 1.5 мкм на нелегированном буферном слое толщиной 0.5 мкм, выращенного на сапфировой Энергия,, g, g TRIM, Мишень Ион подложке. Кристалл был разрезан на одинаковые прямоМэВ см3 см-1 см-угольные резисторы. Начальная концентрация носителей GaN, H 0.6 4.112 · 10-17 2 164 2 в образцах составляла 3 · 1017 см-3, а поверхностное h = 1.5мкм, Li 3.0 4.288 · 10-17 22 334 38 сопротивление 218 Ом/. Тип и энергия ионов, испольµ= f ( ) C 6.6 4.292 · 10-17 82 595 130 зованных при бомбардировке, приведены в таблице, O 6.6 4.289 · 10-17 183 830 313 плотность ионного тока составляла 6.4 · 1010 см-2c-1.

GaN, H 0.6 2.793 · 10-17 3 008 2 521 Поверхностное сопротивление измерялось in situ после h = 1.5мкм, Li 3.0 3.144 · 10-17 30 606 38 каждого шага облучения по дозе.

µ=570 cм2B-1c-1 12C 6.6 3.759 · 10-17 101 020 130 Проведенный ранее [9] сравнительный анализ экспеO 6.6 3.255 · 10-17 247 520 313 риментальных данных [5] по изменению проводимости GaN при облучении быстрыми легкими ионами и резульZnO, Li 0.7 1.539 · 10-18 16 579 132 h = 0.6мкм, O 2.0 3.131 · 10-18 43 046 734 133 татов расчетов по данной модели показал их хорошее соµ=80 см2B-1c-1 28Si 3.5 2.876 · 10-18 107 530 1886 гласие. В то же время расчеты кинетики поверхностного сопротивления были проведены только для протонного пучка из [5], поэтому представляет интерес проведение моделирования зависимостей поверхностного сопротивпоскольку это самостоятельная сложная задача, больления от дозы и для других ионов из [4].

шинство исходных данных для которой не известно.

Определенным извинением для этого служит факт, о котором говорилось выше, — изменение подвижности 3.1. Нормировки зависимостей сопротивления играет существенно меньшую роль в формировании от дозы кинетики Rs( ). Заметим, что при проведении расчетов Как уже было сказано выше, из рассматриваемой кинетики электрической изоляции GaN мы учитывали модели следует, что и при малых, и при больших дозах зависимость µ( ), оцененную на основе имеющихся облучения зависимости обратной величины концентраэкспериментальных данных (подробнее см. далее).

Рассмотрим два частных случая: малые и боль- ции носителей nc от дозы, построенные в полулогашие дозы облучения. При малых дозах концентра- рифмических координатах, должны представлять собой ция комплексов дефект–легирующая примесь также ма- отрезки прямых (см. выражения (5) и (6)). На рис. представлена одна из таких зависимостей, показываюла, следовательно, отношение nd/ni 1. Подстановка 1 - nd/ni = 1 в первое уравнение системы (1) позволя- щая изменение концентрации носителей в образце GaN ет получить аналитическое решение для концентрации при облучении его протонами с энергией 0.6 МэВ [5] носителей в виде (методика пересчета Rs( ) в nc( ) рассмотрена далее).

Здесь достаточно четко видны два прямолинейных участnc = ni exp[- g /(1 + ni)]. (5) ка, один при малых ( <1 · 1014 cм-3) и второй при больших ( 2.0 · 1014 < <2.5 · 1014 см-3) дозах. При В случае больших доз nd/ni 1, и уравнение (2) можно переписать как ln(1 - nd/ni) = - g [1 - (nd/ni)(ni/g )] = - g + ni, что дает для концентрации носителей nc = ni(1 - nd/ni) =ni exp[ ni] exp[- g ]. (6) Из (5) и (6) видно, что в обоих случаях зависимость концентрации носителей от дозы, построенная в полулогарифмических координатах, должна иметь линейный характер. Данное обстоятельство имеет существенное значение, поскольку позволяет определить параметры уравнения (2), используя экспериментальные данные.

3. Сравнение с экспериментом для GaN Для сравнения результатов модели с экспериментом Рис. 1. Экспериментальная [5] (символы) и расчетная (линия) использовалась работа [4], в которой описаны данные по зависимости обратной концентрации носителей в GaN от дозы облучению при комнатной температуре эпитаксиального облучения протонами с энергией 0.6 МэВ.

5 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1218 А.И. Титов, П.А. Карасев, С.О. Кучеев построенные в координатах Rs (g ), должны совпасть.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.