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镁掺杂效率随 GaN 的平面而变化

2019/9/19 13:59:42     

阴极发光表明,侧壁的镁含量明显低于标准 GaN 外延层。

 

美国亚利桑那州立大学的研究人员称,他们率先对台面结构中镁掺杂效率的横向变化进行了成像,借此取得了全新的突破。

这一发现对于垂直 GaN 功率器件具有重要意义,此类器件具备高电压和高功率处理能力、良好的热管理特性和紧凑的设计,因而颇受高电压、高功率应用的青睐。

这些器件的制造过程包括外延片的蚀刻以及随后在不同平面上的 GaN 再生长。这类器件中的镁掺杂必须均匀且具有足够高的浓度,以夹断通道(没有任何偏压),并最终确保常关型操作。根据这项最新的研究工作结果,考虑到不同的平面具有不同的镁浓度,掺杂均匀度的实现颇具挑战性。

研究人员通过阴极发光 (CL) 测量发现了镁掺杂浓度的变化。由于空间分辨率不足,二次离子质谱分析仪 (SIMS) 未能揭示这种掺杂均匀性的缺失。

据该研究小组的发言人 Fernando Ponce 称,其阴极发光测量所面对的最大挑战是使发光特性与对照样品中的镁掺杂相关联。

为了开展他们的探究活动,该研究小组采用 MOCVD 工艺制作了四个不同的样本。第一个样品的形成方法是:在使用光刻和基于氯的电感耦合等离子体蚀刻产生台面结构之前,生长一个 4 μm 厚的非故意掺杂 GaN 层,接着添加一个 0.3 μm 厚的非故意掺杂 GaN 层,然后是一个 1.65 μm 厚的 p GaN 层。其他三个样品的制作是在蓝宝石衬底上先后生长一个 1 μm 厚的 n GaN 层和一个 1.65 μm 厚的 p GaN 层。这些样品之间的差别是镁源 (Cp2Mg) 的流速——50 sccm100 sccm 200 sccm 的数值制成了具有不同 p 型掺杂浓度的样品。

所有 4 个样品均在 800°C 的温度下进行持续 10 分钟的退火,以激活镁掺杂。在此之后,研究人员采用 SIMS 来确定 3 个平面样品中的镁浓度。

台面结构的横断面 CL 成像和光谱分析显示,峰值为 2.9 eV3.25 eV 3.4 eV,而相对强度则随着位置的不同而变化。这三个峰值(在所有三个平面样品的 CL 光谱中均有发现)已经被其他的研究小组观察到。3.4 eV 的峰值被归因于近带边激子跃迁,3.25 eV 的峰值源于浅施主至镁受体的跃迁,而 2.9 eV 的峰值则由深施主至镁受体的跃迁引起。

通过将台面结构的 CL 光谱与平面样品的光谱进行比较,研究人员得出结论:上部台面、下部台面的底部、以及远离侧壁的下部台面中心处的镁浓度约为 3.1 x 1019 cm-3。这是因为光谱类似于采用 100 sccm Cp2Mg 流速制作的样品。对于侧壁和下部台面的顶部,光谱与使用 50 sccm Cp2Mg 流速制作的样品所产生的光谱相似(该样品具有 1.3 x 1019 cm-3 的镁浓度)。

 

参考文献

H. Liu et al. Appl. Phys. Lett. 114 082102 (2019)

 

 

插图说明:台面结构的横断面光学特性。在 2.9 eV 的单色阴极发光映射。(b) p GaN层中不同区域里的光斑模式阴极发光光谱,如 (a) 中的箭头所示。


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