👍🏻 🥟 🤵🏼 Opinião de especialista: Materiais semicondutores em eletrônica 🔏 🤶🏿 🧜🏾

Em maio deste ano, em uma das revistas científicas mais respeitadas "Ciência dos Materiais e Engenharia R" (fator de impacto 15) , um artigo de revisão foi publicado pelo nosso principal cientista, Professor Alexander Yakovlevich Polyakov, e pelo professor Ying-hwan Lee da Universidade Nacional de Chonbuk, na Coréia.
O artigo foi dedicado à influência de defeitos nas propriedades dos nitretos do grupo III e a uma discussão de métodos para o estudo da estrutura eletrônica desses defeitos.

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Também observamos que o Prêmio Nobel de Física de 2014 foi concedido a pioneiros neste campo, os cientistas japoneses A. Akasaki, H. Amano e S. Nakamura pelo desenvolvimento de diodos ópticos azuis, que possibilitaram a introdução de fontes de luz brilhantes e economizadoras de energia e como sinal de reconhecimento da enorme a importância desta área. Mas isso é apenas o começo. Em breve, em nossa vida cotidiana, as lâmpadas LED de nitreto substituirão as lâmpadas incandescentes e fluorescentes tradicionais.

No entanto, à medida que avançamos na vida prática, questões de eficiência, confiabilidade e confiabilidade estão se tornando cada vez mais importantes.trabalho de dispositivos em nitretos. E aqui acontece que precisamos lidar seriamente com os defeitos estruturais desses materiais e dispositivos e desenvolver novos métodos para estudá-los. O principal professor acadêmico A.Ya. responderá a essas e muitas outras perguntas em sua opinião de especialistas para o nosso blog corporativo . Polos .

* Gostaria de alertar nossos leitores que, para compreender completamente o exposto, é necessário conhecimento nessas áreas.

Universidade Alexander Yakovlevich Polyakov : Universidade Nacional de Chonbuk, Coréia do Sul
Professor Visitante, NUST “MISiS”

Nitretos do terceiro grupo da tabela periódica Mendeleev é um material semicondutor promissor, cuja zona proibida permite, em princípio, receber emissores e receptores de luz com comprimento de onda de 1,55 μm a 0,2 μm, dispositivos eletrônicos com uma tensão de ruptura muito alta e uma grande corrente direta. Devido ao grande intervalo de banda e à alta energia de ligação, os dispositivos à base de nitreto devem, em contraste com, por exemplo, silício, funcionar bem em temperaturas muito altas, suportar grandes doses de radiação e ser insensível a ambientes agressivos. O potencial desses compostos foi realizado há muito tempo, no final dos anos 70. No entanto, aplicações práticas foram dificultadas por duas desvantagens muito importantes. Em primeiro lugar, revelou-se muito difícil obter cristais de nitreto a granel por métodos convencionais,amplamente utilizado para outros semicondutores. Isto é devido a altos pontos de fusão, alta volatilidade do vapor de nitrogênio e sua baixa solubilidade no fundido. Ao mesmo tempo, quando tentaram cultivar camadas de nitreto em substratos estranhos, não foi possível obter filmes epitaxiais de cristal único necessários para a criação de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. Em segundo lugar, estudos experimentais em um estágio inicial mostraram que a condutividade do tipo p não pode ser alcançada nesses semicondutores, e a concentração de elétrons nas camadas do tipo p é muito alta.necessário criar dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, falhou. Segundo, estudos experimentais em um estágio inicial mostraram que a condutividade do tipo p não pode ser alcançada nesses semicondutores, e a concentração de elétrons nas camadas do tipo p é muito alta.necessário criar dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, falhou. Segundo, estudos experimentais em um estágio inicial mostraram que a condutividade do tipo p não pode ser alcançada nesses semicondutores, e a concentração de elétrons nas camadas do tipo p é muito alta.

O rápido desenvolvimento no campo da física e da tecnologia de nitretos do terceiro grupo começou com as descobertas dos cientistas japoneses A. Akasaki, H. Amano e, um pouco mais tarde, S. Nakamura, que encontraram maneiras de obter filmes monocristalinos de nitreto de gálio e dopagem controlada desse material com tipo p ou p tipo de condutividade. Para resolver o primeiro problemaFoi utilizada uma técnica original, quando uma camada amorfa muito fina de nitreto de alumínio ou nitreto de gálio é aplicada pela primeira vez a baixa temperatura a um substrato estranho (safira de cristal único); por recozimento a alta temperatura, essa camada recristaliza, transformando-se em uma textura de pequenos cristalitos e uma camada já é cultivada em alta temperatura. nitreto da composição requerida. A melhoria da perfeição cristalina ocorre devido ao crescimento lateral seletivo de apenas um pequeno número de grãos com a orientação "correta". Melhorar a perfeição estrutural dos filmes permitiu reduzir drasticamente a concentração de doadores residuais nesses filmes.

Soluções para a segunda tarefaFoi possível obter condutividade estável do tipo p quando se descobriu que a principal razão para falhas nessa direção é a formação muito eficiente de complexos de hidrogênio (sempre presentes nos filmes cultivados) com aceitadores. Descobriu-se que, se esses complexos forem destruídos por irradiação eletrônica ou recozimento a alta temperatura, a condutividade do tipo orifício em filmes de nitreto poderá ser obtida de forma estável. A partir desse momento, os principais componentes do sucesso estavam em vigor e a tecnologia para o cultivo de nitretos e dispositivos baseados neles começou a se desenvolver rapidamente. Além disso, os nitretos de heterojunção têm uma propriedade muito interessante. Como, diferentemente, digamos, do arseneto de silício ou de gálio, que forma cristais cúbicos, os nitretos cristalizam em uma estrutura hexagonal,um forte campo de polarização elétrica está presente neles, o que leva à formação de dois nitretos diferentes no heteroboundário(por exemplo, AlGaN / GaN) de uma camada bidimensional de gás de elétrons com uma concentração muito alta, muito maior do que nas heterojunções AlGaAs / GaAs. A condutividade desses elétrons bidimensionais pode ser controlada pela aplicação de um campo elétrico externo usando um diodo de Schottky.

Assim, é possível preparar transistores de efeito de campo com enorme condutividade de canal (o que significa que a corrente é transportada no estado ligado), e isso pode ser alcançado sem dopagem especial da camada de fonte de elétrons, simplesmente devido ao chamado doping de polarização (nas heterojunções AlGaAs / GaAs, é especialmente necessário dopar fortemente a camada AlGaAs).

Como resultado, uma ampla variedade de dispositivos baseados em nitreto foi desenvolvida e demonstrada em tempo recorde: LEDs eficientes, transistores potentes de efeito de campo, fotodetectores de proteção solar (ou seja, receptores que respondem à radiação ultravioleta, mas não à luz visível) e retificadores de baixa perda no estado ligado e grandes tensões de ruptura.

Como você sabe, por suas descobertas revolucionárias no campo da física de compostos de nitreto do terceiro grupo A. Akasaki, H. Amano e S. Nakamura receberam o Prêmio Nobel de física no ano passado como reconhecimento da grande importância desses trabalhos para a ciência e a prática.

No entanto, imediatamente se descobriu que as propriedades dos nitretos são fundamentalmente diferentes das propriedades de outros semicondutores. Assim, a densidade de deslocamento (distúrbios estruturais lineares associados à diferença de parâmetros da rede e coeficientes de expansão térmica, bem como a presença de tensões mecânicas na estrutura) nos nitretos é cinco ordens de grandeza maior do que, por exemplo, no arseneto de gálio, neste sistema conseguimos rapidamente obter LEDs efetivos na região espectral azul e lasers de injeção posteriores, embora neste último caso tenhamos que trabalhar na redução da densidade de deslocamento de 109 para 107 cm-2 usando métodos com seletividade do supercrescimento epitaxial (ELOG, supercrescimento lateral epitaxial na abreviação em inglês), o método ilustrado na figura 1, que mostra como a filtragem de deslocamentos penetrantes ocorre devido ao crescimento lateral sobre regiões mascaradas por tiras de SiO2).

FIG. 1 . Representação esquemática do método ELOG, que permite reduzir a densidade de deslocamentos nas camadas GaN para LEDs e lasers de injeção

Nas heterojunções AlGaN / GaN, uma densidade enorme de um gás elétron bidimensional da ordem de 1013 cm-2 foi obtida muito rapidamente e a condutividade de um gás elétron bidimensional foi uma ordem de magnitude superior à das heterojunções AlGaAs / GaAs apenas devido ao doping de polarização. Os transistores de efeito de campo (HEMTs) fabricados no sistema AlGaN / GaN provaram imediatamente suas enormes vantagens. Em circunstâncias comuns, LEDs, lasers de injeção, retificadores, transistores de efeito de campo são muito sensíveis à presença nas camadas e nas interfaces de centros com níveis profundos que podem capturar portadores atuais.

Parecia que em camadas não muito perfeitas, heterojunções e poços quânticos de nitretos, a influência dessas armadilhas profundas seria mais forte do que nos semicondutores altamente avançados.

No entanto, estudos de espectros de profundidade em filmes de nitreto realizados no período inicial não demonstraram, ao contrário do esperado, concentrações muito altas de centros profundos e nenhuma conexão séria de quaisquer centros com as características de lasers, LEDs e transistores. Os únicos defeitos que pareciam afetar os parâmetros foram deslocamentos . Portanto, a atenção dos pesquisadores, durante muito tempo, concentrou-se principalmente na obtenção de estruturas com um determinado conjunto de camadas, um determinado nível de doping, hetero-limites nítidos e um nível de densidade de deslocamento aceitável para esta aplicação.

A possibilidade de obter eletroluminescência eficiente em LEDs baseados em nitreto foi associada ao decaimento espinodal de soluções sólidas InGaN durante esse período, e o baixo rendimento quântico de eletroluminescência na região espectral verde foi associado a uma alta concentração de índio nos poços quânticos GaN / InGaN e um grande tamanho das regiões de emissão enriquecidas com índio. Para os HEMTs, a abordagem foi otimizar o doping de polarização. Os estudos sobre a natureza de defeitos com níveis profundos durante esse período receberam a tarefa puramente científica de acumular conhecimento e compará-los com as previsões de modelos teóricos.

Um pouco mais tarde, descobriu-se que nem tudo é tão simples e os centros profundos, aparentemente, desempenham um papel notável no fato de que os LEDs produzidos pela epitaxia por feixe molecular (MBE) nunca atingem eficiência comparável aos dispositivos obtidos pela epitaxia por hidretos MOS (MOCVD), que as características dos LEDs não polares (isto é, LEDs preparados em estruturas nas quais os campos de polarização são zero ou pequenos) não se mostram mais altas que os polares (neste caso, era esperado um grande ganho devido ao fato de os campos de polarização separar espacialmente elétrons e orifícios em poços quânticos e reduzir a eficiência da recombinação radiativa)e as características dos LEDs com polaridade de nitreto (na estrutura hexagonal crescida na direção do eixo hexagonal principal, o eixo c, as superfícies superior e inferior do filme terminam com átomos diferentes, seja um átomo do grupo III (a versão mais comum) ou nitrogênio, veja a Fig. 2 ) , contrariamente às considerações teóricas, é muito pior do que a de dispositivos com polaridade de gálio. Embora em todos esses casos as causas dos efeitos sejam bastante complexas e diversas, invariavelmente resultou que um aumento da concentração de centros profundos desempenha um papel muito importante [1-4].

FIG. 2 . Polaridades de nitrogênio e gálio no nitreto de gálio e métodos para sua preparação

Nos últimos anos, surgiram várias circunstâncias que nos fizeram olhar de maneira muito diferente para o papel das armadilhas profundas no comportamento das estruturas de LED, laser e transistor baseadas em nitreto.

Primeiramente, acreditava-se que os traps profundos não poderiam ser importantes para os LEDs de alta potência, porque esses dispositivos operam com correntes de injeção muito altas, quando todos os traps estão saturados e sua contribuição é pequena. Porém, devido aos efeitos da recombinação do eixo helicoidal (uma recombinação na qual a energia não vai para a radiação, mas é transferida para a terceira partícula)e deslocalização de portadores em poços quânticos, as correntes de injeção devem ser severamente limitadas, de modo que a contribuição dos centros de recombinação não-radiativos se torne muito perceptível. No contexto de requisitos muito maiores para a magnitude do rendimento quântico interno, essa circunstância é de grande importância.

Em segundo lugar, estudos estruturais detalhados dos últimos anos não confirmaram a formação de regiões localizadas de pontos quânticos em LEDs azuis baseados em poços quânticos GaN / InGaN, mas medições detalhadas de comprimentos de difusão (ou seja, distâncias médias pelas quais elétrons e orifícios sem equilíbrio podem percorrer sem recombinação) em nitreto de gálio e LEDs baseados nele não confirmam o papel decisivo das luxações. Então, naturalmente, surge a pergunta: quais centros limitam as propriedades?

Terceiro, nas estruturas azul e verde de LEDs não polares e polares nos espectros de níveis profundos, foram encontrados vários centros profundos cuja concentração se correlaciona com a eficiência quântica e aumenta durante a degradação (veja a discussão sobre esse assunto em [5]). Além disso, quando a contribuição desses centros para a recombinação não-radiativa pode ser suprimida pela interação com plasmons de superfície localizados (veja a revisão em [6]), a eficiência da luminescência aumenta acentuadamente.

Finalmente, para transistores de efeito de campo em heterojunções, o fenômeno do colapso da corrente (ou seja, uma diminuição perceptível da corrente em altas frequências em comparação à corrente com viés constante) é conhecido há muito tempo, o que tem sido associado à captura de elétrons por armadilhas na superfície da barreira AlGaN e à formação de chamado de portão virtual (esses traps carregados parecem aumentar a área efetiva do diodo Schottky por um tempo e, assim, reduzir a corrente através do canal do transistor). No entanto, descobriu-se recentemente que essas armadilhas não aparecem tanto na superfície quanto perto da interface AlGaN / GaN, que o conjunto dessas armadilhas é bastante limitado e as próprias armadilhas são geradas quando grandes correntes de trabalho são passadas por transistores ou quando são irradiadas com partículas de alta energia (veja a revisão e referências em [5]).

Assim, a tarefa de estudar espectros de nível profundo diretamente em estruturas de instrumentos baseadas em nitreto de gálio (LEDs, transistores, retificadores) tornou-se recentemente muito urgente. No entanto, ao resolver esse problema, várias circunstâncias devem ser lembradas.

Primeiro, o gap de banda, mesmo em LEDs azuis, é de 2,7–2,8 eV, de modo que a profundidade dos centros próximos ao meio do band gap é de cerca de 1,4 eV, enquanto no método padrão de espectroscopia capacitiva de níveis profundos (RSGS), só é possível com grande dificuldade registrar picos correspondentes a aproximadamente 1-1,2 eV das bordas das zonas em valores favoráveis das seções transversais de captura. É possível, em princípio, expandir a faixa de armadilhas registradas para 1,5-1,6 eV usando criostatos de alta temperatura(ver, por exemplo, trabalho [7] para SiC) , mas para dispositivos baseados em nitreto de gálio, os vazamentos de diodo Schottky tornam-se críticos. Essa questão é ainda mais aguda para estruturas que operam na região espectral UV e para transistores de efeito de campo com uma barreira AlGaN de grande intervalo. Complicações adicionais também são criadas pela grande profundidade dos receptores de magnésio (0,18 eV), o que complica as medições nas junções pn. Essa dificuldade ainda aumenta visivelmente com o aumento da fração molar do alumínio nos LEDs UV. Um tunelamento pronunciado em estruturas com poços quânticos também apresenta um problema sério (ver, por exemplo, [8, 9] e uma discussão detalhada com um grande número de referências na revisão [5]). Nas estruturas de transistores, a presença de defeitos metaestáveis leva a sérias dificuldades.(ou seja, defeitos cuja condição depende do fundo) na barreira do transistor. Esses defeitos alteram a tensão limite durante a medição dos espectros. Dificuldades significativas também são causadas pela grande resistência em série dos transistores no modo de depleção [5]. (Está associado a um aumento da resistência ao desligar durante a depleção de uma camada de gás bidimensional sob a barreira de Schottky, conforme ilustrado na Fig. 3 ) .

FIG. 3 . Mudança na frequência limite da “prateleira” na dependência de frequência da capacitância HEMT da estrutura AlGaN / GaN, indicando um aumento na resistência em série (resistência de acesso)

Recentemente, foram publicados vários trabalhos que resolvem parcialmente esses problemas. Em particular, em [10] e vários outros trabalhos, foi mostrado como é possível determinar os parâmetros de armadilhas profundas em uma barreira a partir de medições das dependências espectrais das características capacitância - tensão - tensão de estruturas HEMT a baixas temperaturas e a partir de espectros de admissão de estruturas (ou seja, medições dependências de temperatura de capacitância e condutividade em várias frequências) . No mesmo trabalho e em vários outros trabalhos, as medições dos espectros RSGU diretamente nas estruturas de transistor com uma porta de vários dedos são descritas (o diagrama é ilustrado na Fig. 4).

FIG. 4 . A porta com vários dedos do transistor AlGaN / GaN, que permite medições de espectros de nível profundo em várias partes da estrutura usando o método RSU padrão.

No caso de estruturas preparadas em um buffer condutor, o último método permite, em princípio, separar os purgadores localizados na barreira e no buffer do transistor. Em vários trabalhos (veja, por exemplo, [ 11, 12 ]) , duas versões da RSGU atual são descritas com relação às estruturas do transistor, que permitem que os traps sejam separados na camada de barreira do transistor e na superfície entre o portão e o dreno. Outro método para medir espectros de nível profundo e determinar a posição de níveis em estruturas de LEDs com vários poços quânticos e em estruturas de transistor é baseado em uma combinação de um método de espectroscopia capacitiva, no qual não é a temperatura que é varrida no RSU padrão, mas o comprimento de onda da luz excitante (método DLOS), e essas medições são combinadas com medições das dependências espectrais das características capacitância-tensão(veja, por exemplo, [13, 14]) .

Recentemente, desenvolvemos um método RSGU capacitivo que permite medições em várias frequências e, assim, minimiza os efeitos da resistência em série nos transistores. Uma implementação concreta do método também possibilita medir espectros em várias tensões de dreno de fonte aplicadas e, portanto, distinguir armadilhas de interface e superfície com bastante eficiência [15]. FIG. 5 ilustra a estrutura investigada e na Fig. A Figura 6 mostra que uma diminuição na frequência do sinal de teste de 1 MHz a 10 kHz torna possível identificar um centro adicional de 0,3 eV na interface da estrutura e determinar corretamente a concentração de outros centros, reduzindo a influência da resistência em série.

FIG. 5 . Estrutura investigada

FIG. 6 . Espectros da estrutura do transistor RSGU medidos em diferentes valores da tensão do portão e em várias frequências do sinal de teste

Uma abordagem geral para analisar as características das armadilhas responsáveis pelo colapso atual nos transistores e determinar a localização espacial dessas armadilhas é descrita em [16, 17] (entre muitas outras) e é discutida em detalhes em nossa revisão [5]. Todos esses estudos são o tema do nosso projeto.

Materiais adicionais (notas de rodapé)

[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)
[7]P.B. Klein, B.V. Shanabrook, S.W. Huh, A.Y. Polyakov, M. Skowronski, J.J. Shumakeris, and M.J. O’Loughlin, Lifetime-limiting defects in n- 4H-SiC epilayers, Appl. Phys. Lett. 88, 052110 (2006)
[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)
[11] A. Sasikumar, A. R. Arehart, S. Martin-Horcajo, M. F. Romero, Y. Pei, D. Brown,
F. Recht, M. A. di Forte-Poisson, F. Calle, M. J. Tadjer, S. Keller, S. P. DenBaars,
U. K. Mishra, and S. A. Ringel, Direct comparison of traps in InAlN/GaN and AlGaN/GaN high electron mobility transistors using constant drain current deep level transient spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 103, 033509 (2013)
[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
on threading dislocation density for InGaN/GaN light emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 101, 162102 (2012)
[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
electron mobility transistors, Review, Superlattices and Microstructures 34, 33–53 (2003)
[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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