🛑 🏂🏻 🛌🏼 Opinion d'expert: Matériaux semi-conducteurs en électronique 🤽 💽 💽

En mai de cette année, dans l'une des revues scientifiques les plus respectées «Materials Science and Engineering R» (facteur d'impact 15) , un article de synthèse a été publié par notre scientifique principal, le professeur Alexander Yakovlevich Polyakov et le professeur Ying-hwan Lee de l'Université nationale de Chonbuk en Corée.
L'article était consacré à l'influence des défauts sur les propriétés des nitrures du groupe III et une discussion des méthodes pour étudier la structure électronique de ces défauts.

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Nous notons également que le prix Nobel de physique 2014 a été décerné à des pionniers dans ce domaine, les scientifiques japonais A. Akasaki, H. Amano, S. Nakamura pour le développement de diodes optiques bleues, qui ont permis d'introduire des sources lumineuses lumineuses et économes en énergie, et en signe de reconnaissance de l'énorme l'importance de ce domaine. Mais c'est seulement le début. Bientôt, dans notre vie quotidienne, les lampes LED au nitrure remplaceront les lampes traditionnelles à incandescence et fluorescentes.

Cependant, à mesure que nous entrons dans la vie pratique, les questions d' efficacité, de fiabilité et de fiabilité deviennent de plus en plus importantes.travaux d'appareils sur nitrures. Et ici, il s'avère que nous devons traiter sérieusement les défauts structurels de ces matériaux et dispositifs et développer de nouvelles méthodes pour les étudier. Le professeur universitaire de premier plan A.Ya répondra à ces questions et à bien d'autres dans son opinion d'expert pour notre blog d'entreprise . Polonais .

* Je voudrais avertir nos lecteurs que pour bien comprendre ce qui précède, des connaissances dans ces domaines sont nécessaires.

Université Alexander Yakovlevich Polyakov : Université nationale de Chonbuk, Corée du Sud
Professeur invité, NUST «MISiS»

Nitrures du troisième groupe du tableau périodique Mendeleev est un matériau semiconducteur prometteur, dont la zone interdite permet, en principe, de recevoir des émetteurs et des récepteurs de lumière d'une longueur d'onde de 1,55 μm à 0,2 μm, des appareils électroniques avec une tension de claquage très élevée et un courant direct important. En raison de la large bande interdite et de la forte énergie de liaison, les dispositifs à base de nitrure doivent, contrairement, par exemple, au silicium, bien fonctionner à des températures très élevées, résister à d'énormes doses de rayonnement et être insensibles aux environnements agressifs. Le potentiel de ces composés a été réalisé il y a longtemps, à la fin des années 70. Cependant, les applications pratiques ont été entravées par deux inconvénients très importants. Premièrement, il s'est avéré très difficile d'obtenir des cristaux de nitrure en vrac par des méthodes classiques,largement utilisé pour d'autres semi-conducteurs. Cela est dû aux points de fusion élevés, à la volatilité élevée de la vapeur d'azote et à sa faible solubilité dans la masse fondue. En même temps, lorsqu'ils ont essayé de faire croître des couches de nitrure sur des substrats étrangers, il n'a pas été possible d'obtenir des films épitaxiaux monocristallins nécessaires à la création de dispositifs électroniques et optoélectroniques. Deuxièmement, des études expérimentales à un stade précoce ont montré que la conductivité de type p ne peut pas être atteinte dans ces semi-conducteurs, et la concentration en électrons dans les couches de type p est trop élevée.nécessaire pour créer des appareils électroniques et optoélectroniques, a échoué. Deuxièmement, des études expérimentales à un stade précoce ont montré que la conductivité de type p ne peut pas être atteinte dans ces semi-conducteurs, et la concentration en électrons dans les couches de type p est trop élevée.nécessaire pour créer des appareils électroniques et optoélectroniques, a échoué. Deuxièmement, des études expérimentales à un stade précoce ont montré que la conductivité de type p ne peut pas être atteinte dans ces semi-conducteurs, et la concentration en électrons dans les couches de type p est trop élevée.

Le développement rapide dans le domaine de la physique et de la technologie des nitrures du troisième groupe a commencé avec les découvertes des scientifiques japonais A. Akasaki, H. Amano et, un peu plus tard, S. Nakamura, qui ont trouvé des moyens d'obtenir des films monocristallins de nitrure de gallium et de contrôler le dopage de ce matériau avec du type p ou p -type de conductivité. Pour résoudre le premier problèmeUne technique originale a été utilisée, lorsqu'une très fine couche amorphe de nitrure d'aluminium ou de nitrure de gallium est d'abord appliquée à basse température sur un substrat étranger (saphir monocristallin), par recuit à haute température, cette couche recristallise, se transformant en une texture de petits cristallites, et qu'une couche est déjà cultivée à haute température nitrure de la composition requise. L'amélioration de la perfection cristalline se produit en raison de la croissance latérale sélective de seulement un petit nombre de grains avec l'orientation «correcte». L'amélioration de la perfection structurelle des films a permis de réduire fortement la concentration de donneurs résiduels dans de tels films.

Solutions à la deuxième tâcheIl a été possible d'obtenir une conductivité stable de type p quand on a découvert que la principale raison des échecs dans cette direction était la formation très efficace de complexes d'hydrogène (toujours présents dans les films cultivés) avec des accepteurs. Il s'est avéré que si ces complexes sont détruits par irradiation électronique ou recuit à haute température, la conductivité de type trou dans les films de nitrure peut être obtenue de manière stable. À partir de ce moment, les principaux éléments du succès étaient en place et la technologie de croissance des nitrures et des dispositifs basés sur eux a commencé à se développer rapidement. De plus, il s'est avéré que les nitrures à hétérojonction ont une propriété très intéressante. Puisque, contrairement, disons, au silicium ou à l'arséniure de gallium, qui forment des cristaux cubiques, les nitrures cristallisent en réseau hexagonal,un fort champ de polarisation électrique y est présent, ce qui conduit à la formation de deux nitrures différents sur l'hétéro-frontière(par exemple, AlGaN / GaN) d'une couche de gaz d'électrons bidimensionnelle avec une concentration très élevée, beaucoup plus élevée que dans les hétérojonctions AlGaAs / GaAs. La conductivité de ces électrons bidimensionnels peut être contrôlée en appliquant un champ électrique externe à l'aide d'une diode Schottky.

Ainsi, il est possible de préparer des transistors à effet de champ avec une conductivité de canal énorme (ce qui signifie que le courant est transporté à l'état passant), et cela peut être réalisé sans dopage spécial de la couche source d'électrons, simplement en raison du dopage dit de polarisation (dans les hétérojonctions AlGaAs / GaAs, il est particulièrement nécessaire de doper fortement la couche AlGaAs).

En conséquence, une grande variété d'appareils à base de nitrure ont été développés et démontrés en un temps record: LED efficaces, transistors à effet de champ puissants, photodétecteurs pare-soleil (c.-à-d. Récepteurs qui répondent au rayonnement ultraviolet mais pas à la lumière visible) et redresseurs à faible perte dans l'état actif et de grandes tensions de claquage.

Comme vous le savez, pour leurs découvertes révolutionnaires dans le domaine de la physique des composés nitrurés du troisième groupe, A. Akasaki, H. Amano et S. Nakamura ont reçu le prix Nobel de physique l'année dernière en reconnaissance de la grande importance de ces travaux pour la science et la pratique.

Cependant, il s'est immédiatement avéré que les propriétés des nitrures sont fondamentalement différentes de celles des autres semi-conducteurs. Ainsi, la densité de dislocation (perturbations structurelles linéaires associées à la différence des paramètres du réseau et des coefficients de dilatation thermique, ainsi que la présence de contraintes mécaniques dans la structure) dans les nitrures est cinq fois plus élevée que, disons, dans l'arséniure de gallium, cependant, dans ce système rapidement réussi à obtenir des LED efficaces sur la région spectrale bleue, et plus tard des lasers à injection, bien que dans ce dernier cas, nous avons dû travailler sur la réduction de la densité de dislocation de 109 à 107 cm-2 en utilisant des méthodes avec sélectivité de la surcroissance épitaxiale (ELOG, Epitaxial Lateral Overgrowth dans l'abréviation anglaise, la méthode illustrée à la Fig. 1, qui montre comment le filtrage des luxations pénétrantes se produit en raison de la croissance latérale sur les régions masquées par des bandes de SiO2).

Figure. 1 . Représentation schématique de la méthode ELOG, qui permet de réduire la densité des dislocations dans les couches de GaN pour les LED et les lasers à injection

Dans les hétérojonctions AlGaN / GaN, une énorme densité d'un gaz d'électrons bidimensionnel de l'ordre de 1013 cm-2 a été très rapidement obtenue et la conductivité d'un gaz d'électrons bidimensionnel était d'un ordre de grandeur plus élevée que dans les hétérojonctions AlGaAs / GaAs uniquement en raison du dopage par polarisation. Les transistors à effet de champ (HEMT) fabriqués dans le système AlGaN / GaN ont donc immédiatement démontré leurs énormes avantages. Dans des circonstances ordinaires, les LED, les lasers à injection, les redresseurs, les transistors à effet de champ sont très sensibles à la présence dans les couches et sur les interfaces des centres avec des niveaux profonds qui peuvent capturer les porteurs de courant.

Il semblait que dans les couches peu parfaites, les hétérojonctions et les puits quantiques de nitrures, l'influence de ces pièges profonds serait plus forte que pour les semi-conducteurs très avancés.

Cependant, les études des spectres profonds dans les films de nitrure réalisées au cours de la période initiale n'ont pas démontré, contrairement aux attentes, de très fortes concentrations de centres profonds et aucune connexion sérieuse de centres ayant les caractéristiques des lasers, des LED et des transistors. Les seuls défauts qui semblaient affecter les paramètres étaient les luxations . Par conséquent, l'attention des chercheurs s'est longtemps concentrée sur l'obtention de structures avec un ensemble de couches donné, un niveau de dopage donné, des hétéro-frontières précises et un niveau de densité de dislocation acceptable pour une application donnée.

La possibilité d'obtenir une électroluminescence efficace dans les LED à base de nitrure était associée à la désintégration spinodale des solutions solides d'InGaN au cours de cette période, et le faible rendement quantique d'électroluminescence dans la région spectrale verte était associé à une forte concentration d'indium dans les puits quantiques GaN / InGaN et à une grande taille des régions d'émission enrichies en indium. Pour les HEMT, l'approche consistait à optimiser le dopage par polarisation. Les études de la nature des défauts de niveaux profonds durant cette période se sont vu confier la tâche purement scientifique d'accumuler des connaissances et de les comparer avec les prédictions des modèles théoriques.

Un peu plus tard, il s'est avéré que tout n'est pas si simple et les centres profonds semblent jouer un rôle notable dans le fait que les LED fabriquées par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) n'atteignent jamais une efficacité comparable aux appareils obtenus par épitaxie à hydrure MOS (MOCVD) que les caractéristiques des LED non polaires (c'est-à-dire les LED préparées sur des structures dans lesquelles les champs de polarisation sont nuls ou petits) ne se révèlent pas supérieures à celles polaires (dans ce cas, un gain important était attendu en raison du fait que les champs de polarisation séparer spatialement les électrons et les trous dans les puits quantiques et réduire l'efficacité de la recombinaison radiative), et les caractéristiques des LED à polarité nitrure (dans la structure hexagonale développée dans la direction de l'axe hexagonal principal, l'axe c, les surfaces supérieure et inférieure du film se terminent par différents atomes, soit un atome du groupe III (la version la plus courante) ou de l'azote, voir Fig.2 ) , contrairement aux considérations théoriques, est bien pire que celle des appareils à polarité gallium. Bien que dans tous ces cas, les causes des effets soient assez complexes et diverses, il s'est toujours avéré qu'une concentration accrue de centres profonds joue un rôle très important [1-4].

Figure. 2 . Polarités de l'azote et du gallium dans le nitrure de gallium et procédés pour leur préparation

Au cours des dernières années, un certain nombre de circonstances sont apparues qui nous ont fait voir très différemment le rôle des pièges profonds dans le comportement des LED, des lasers et des transistors à base de nitrure.

Tout d'abord, on pensait que les pièges profonds ne pouvaient pas être importants pour les LED haute puissance, car ces appareils fonctionnent à des courants d'injection très élevés, lorsque tous les pièges sont saturés et que leur contribution est faible. Cependant, il s'est avéré qu'en raison des effets de la recombinaison Auger (une recombinaison dans laquelle l'énergie ne va pas au rayonnement, mais est transférée à la troisième particule)et la délocalisation des porteurs dans les puits quantiques, les courants d'injection doivent être sévèrement limités, de sorte que la contribution des centres de recombinaison non radiatifs devient très sensible. Dans le contexte d'exigences très accrues pour l'ampleur du rendement quantique interne, cette circonstance est d'une grande importance.

Deuxièmement, des études structurales détaillées de ces dernières années n'ont pas confirmé la formation de régions localisées de points quantiques dans les LED bleues basées sur des puits quantiques GaN / InGaN, mais des mesures détaillées des longueurs de diffusion (c'est-à-dire des distances moyennes que les électrons et les trous hors équilibre peuvent parcourir sans recombinaison) dans le nitrure de gallium et les LED basées sur celui-ci ne confirment pas le rôle décisif des dislocations. Alors, naturellement, la question se pose: quels centres limitent les propriétés?

Troisièmement, dans les structures LED bleues et vertes non polaires et polaires dans le spectre des niveaux profonds, un certain nombre de centres profonds ont été trouvés dont la concentration est en corrélation avec l'efficacité quantique et augmente pendant la dégradation (voir la discussion de cette question dans [5]). De plus, lorsque la contribution de ces centres à la recombinaison non radiative peut être supprimée par interaction avec des plasmons de surface localisés (voir la revue dans [6]), l'efficacité de la luminescence augmente fortement.

Enfin, pour les transistors à effet de champ aux hétérojonctions, le phénomène d'effondrement du courant (c'est-à-dire une diminution notable du courant à hautes fréquences par rapport au courant à polarisation constante) est connu depuis longtemps, ce qui a longtemps été associé à la capture d'électrons par des pièges sur la surface de la barrière AlGaN et appelé une porte virtuelle (ces pièges chargés semblent augmenter la zone effective de la diode Schottky pendant un certain temps et ainsi réduire le courant à travers le canal du transistor). Cependant, il a récemment été constaté que ces pièges n'apparaissent pas tant à la surface qu'à proximité de l'interface AlGaN / GaN, que l'ensemble de ces pièges est plutôt limité, et les pièges eux-mêmes sont générés lorsque de grands courants de travail passent à travers des transistors ou lorsqu'ils sont irradiés avec des particules de haute énergie (voir la revue et références dans [5]).

Ainsi, la tâche d'étudier les spectres en profondeur directement dans les structures d'instruments à base de nitrure de gallium (LED, transistors, redresseurs) est récemment devenue très urgente. Cependant, pour résoudre ce problème, plusieurs circonstances doivent être gardées à l'esprit.

Tout d'abord, la bande interdite, même dans les LED bleues, est de 2,7 à 2,8 eV, de sorte que la profondeur des centres situés près du milieu de la bande interdite est d'environ 1,4 eV, alors que dans la méthode standard de spectroscopie capacitive des niveaux profonds (RSGS), cela n'est possible qu'avec de grandes difficultés. enregistrer des pics correspondant à environ 1-1,2 eV depuis les bords des zones à des valeurs favorables des sections efficaces de capture. Il est possible, en principe, d'étendre la gamme des pièges enregistrés à 1,5-1,6 eV en utilisant des cryostats à température plus élevée(voir, par exemple, le travail [7] pour SiC) , mais pour les dispositifs à base de nitrure de gallium, les fuites de diode Schottky deviennent critiques. Cette question est encore plus aiguë pour les structures opérant dans la région spectrale UV et pour les transistors à effet de champ avec une barrière AlGaN à grand intervalle. Des complications supplémentaires sont également créées par la grande profondeur des accepteurs de magnésium (0,18 eV), ce qui complique les mesures aux jonctions pn. Cette difficulté augmente encore sensiblement avec une augmentation de la fraction molaire d'aluminium dans les LED UV. Un tunnelage prononcé dans les structures à puits quantiques pose également un problème sérieux (voir, par exemple, [8, 9] et une discussion détaillée avec un grand nombre de références dans la revue [5]). Dans les structures à transistors, la présence de défauts métastables conduit à de graves difficultés.(c'est-à-dire des défauts dont l'état dépend de l'arrière-plan) dans la barrière du transistor. Ces défauts déplacent la tension de seuil lors de la mesure des spectres. Des difficultés importantes sont également causées par la grande résistance en série des transistors en mode de déplétion [5]. (Il est associé à une augmentation de la résistance lors de la coupure pendant l'épuisement d'une couche de gaz bidimensionnelle sous la barrière Schottky, comme illustré sur la figure 3 ) .

Figure. 3 . Changement de la fréquence limite du «plateau» dans la dépendance en fréquence de la capacité HEMT de la structure AlGaN / GaN, indiquant une augmentation de la résistance série

Récemment, un certain nombre d'ouvrages ont été publiés qui résolvent partiellement ces problèmes. En particulier, dans [10] et un certain nombre de nos autres travaux, il a été montré comment il est possible de déterminer les paramètres des pièges profonds dans une barrière à partir de mesures des dépendances spectrales des caractéristiques capacitance - tension - tension des structures HEMT à basses températures et à partir des spectres d'admittance des structures (c'est-à-dire à partir de mesures dépendances de la capacité et de la conductivité à différentes fréquences) . Dans le même travail et dans un certain nombre d'autres travaux, des mesures des spectres RSGU directement sur des structures de transistors à grille à plusieurs doigts sont décrites (le diagramme est illustré sur la figure 4).

Figure. 4 . La porte à plusieurs doigts du transistor AlGaN / GaN, qui permet des mesures de spectres en profondeur dans diverses parties de la structure par la méthode RSGU standard.

Dans le cas de structures préparées sur un tampon conducteur, cette dernière méthode permet, en principe, de séparer les pièges situés dans la barrière et dans le tampon du transistor. Dans un certain nombre d'ouvrages (voir, par exemple, [ 11, 12 ]) , deux versions du RSGU actuel sont décrites en ce qui concerne les structures de transistor, qui permettent de séparer les pièges dans la couche barrière du transistor et à la surface entre la grille et le drain. Une autre méthode de mesure des spectres de niveau profond et de détermination de la position des niveaux dans les structures LED à plusieurs puits quantiques et dans les structures à transistors est basée sur une combinaison d'une méthode de spectroscopie capacitive, dans laquelle ce n'est pas la température qui est scannée en RSU standard, mais la longueur d'onde de la lumière excitante (méthode DLOS), et ces mesures sont combinées avec des mesures des dépendances spectrales des caractéristiques capacité-tension(voir, par exemple, [13, 14]) .

Récemment, nous avons développé une méthode capacitive RSGU qui permet des mesures à différentes fréquences et minimise ainsi les effets de la résistance série dans les transistors. Une mise en œuvre concrète de la méthode permet également de mesurer des spectres à différentes tensions source-drain appliquées et donc de distinguer assez efficacement les pièges d'interface et de surface [15]. Figure. 5 illustre la structure étudiée et sur la Fig. La figure 6 montre qu'une diminution de la fréquence du signal de test de 1 MHz à 10 kHz permet d'identifier un centre supplémentaire de 0,3 eV à l'interface de la structure et de déterminer correctement la concentration des autres centres en réduisant l'influence de la résistance série.

Figure. 5 . Structure étudiée

Figure. 6 . Spectres de la structure du transistor RSGU mesurés à différentes valeurs de la tension de grille et à différentes fréquences du signal de test

Une approche générale pour analyser les caractéristiques des pièges responsables de l'effondrement actuel des transistors et déterminer la localisation spatiale de ces pièges est décrite dans [16, 17] (parmi beaucoup d'autres) et est discutée en détail dans notre revue [5]. Toutes ces études font l'objet de notre projet.

Documents supplémentaires (notes de bas de page)

[1] A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, A.V. Markov, T.G Yugova, E.A. Petrova, H. Amano, T. Ka-washima, K.D. Scherbatchev, V.T. Bublik, Electrical Properties and Deep Traps Spectra in Undoped and Si-doped M-plane GaN Films, J. Appl. Phys. 105(6), 063708 (2009)
[2] A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, A.V. Markov, Q. Sun, Y. Zhang, C. D. Yerino, T.-S. Ko, I.-H. Lee, J. Han, Electrical properties and deep traps spectra of a-plane GaN films grown on r-plane sapphire, Materials Science and Engineering B, B166, 220-224 (2010)
[3]. A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, Q. Sun, Y. Zhang, Y.S. Cho, I.-H. Lee, J. Han, Electrical and luminescent properties and deep traps spectra of N-polar GaN films, Materials Science &Engineering B, 166, 81-88 (2010)
[4] A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, H. Amano, S.J. Pearton, I.-H. Lee, Q. Sun, J. Han and S.Yu. Karpov, Role of Non-Radiative Recombination Centers in Nonpolar GaN in Light Emission Efficiency and Relation to Extended Defects, Appl. Phys. Lett. 98, 072104 (2011)
[5] A.Y. Polyakov and In-Hwan Lee, Deep traps in GaN-based structures as affecting the performance of GaN devices (a review), Mat. Sci& Eng. ®, 94, 1-56 (2015)
[6] In-Hwan Lee, Lee-Woon Jang, and AlexanderY.Polyakov, Performance enhancement of GaN-based light emitting diodes by the interaction with localized surface plasmons, Nano Energy (a review) 13, 140–173 (2015)
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[8] A.Y. Polyakov, A.V. Govorkov, N.B. Smirnov, A.V. Markov, In-Hwan Lee, Jin-Woo Ju, S.Yu. Karpov, N.M. Shmidt, and S.J. Pearton, Properties of Undoped GaN/InGaN Multi-Quantum Wells and GaN/InGaN p-n Junctions Prepared By Epitaxial Lateral Overgrowth, J. Appl. Phys. 105, 123708 (2009)
[9] O. Soltanovich and E. Yakimov, Capacitance-voltage and admittance investigations of InGaN/GaN MQW LEDs: frequency dependence, Phys. Status Solidi (c ) 10, 338–341 (2013)
[10]A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, A.V. Govorkov, and E.A. Kozhukhova, S.J. Pearton, F. Ren and L. Lu, J.W. Johnson, R.V. Ryzhuk, N.I. Kargin, Deep traps in AlGaN/GaN heterojunctions and transistor structures grown on Si substrate, J. Vac. Sci. Technol. B 31, 011211 (2013)
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[12] A.R. Arehart, A. Sasikumar, S. Rajan, G.D. Via, B. Poling, B. Winningham, E.R. Heller, D. Brown, Y. Pei, F. Recht, U.K. Mishra, and S.A. Ringel, Direct observation of 0.57 eV trap-related RF output power reduction in AlGaN/GaN high electron mobility transistors, Solid-State Electronics 80, 19–22 (2013)
[13] Y. Nakano, Y. Irokawa, and M. Takeguchi, Deep-Level Optical Spectroscopy Investigation of Band Gap States in AlGaN/GaN Hetero-Interfaces, Appl. Phys. Express, 1, 091101 (2008)
[14] A. Armstrong, T. A. Henry, D. D. Koleske, M. H. Crawford, K. R. Westlake, and S. R. Lee, Dependence of radiative efficiency and deep level defect incorporation
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[15] A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, In-Hwan Lee, and S.J. Pearton, Deep level transient spectroscopy in III-Nitrides: decreasing the effects of series resistance, to be published in J. Vac. Sci. Technol. (b) (2015)
[16] O. Mitrofanov and M. Manfra, Mechanisms of gate lag in GaN/AlGaN/GaN high
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[17] J. Joh and J. A. del Alamo, A Current-Transient Methodology for Trap Analysis for GaN High Electron Mobility Transistors, IEEE Trans. Electron. Dev. 58, 132-140, (2011)

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