👩🏻‍🔧 👨🏻‍🏫 🤘🏽 专家意见：电子中的半导体材料 🕴🏼 ↩️ 👩‍❤️‍💋‍👨

今年5月，我们的首席科学家Alexander Yakovlevich Polyakov教授和韩国春北国立大学的李英焕教授在一篇最受尊敬的科学期刊“ Materials Science and Engineering R” （影响因子15）上发表了一篇评论文章。这篇文章致力于缺陷对III族氮化物性能的影响，并讨论了研究这些缺陷的电子结构的方法。

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我们还注意到，2014年诺贝尔物理学奖授予了该领域的先驱者，日本科学家A. Asaksaki，A。Asakasaki，H。Amano，S。Nakamura由于开发了蓝色光电二极管，这使得引入明亮节能的光源成为可能，并且这也是对这一巨大成就的认可的标志。这个领域的重要性。但这只是开始。很快，在我们的日常生活中，氮化物 LED灯将取代传统的白炽灯和荧光灯。

但是，随着我们进入实际生活，效率，可靠性和可靠性问题变得越来越重要。器件在氮化物上的工作。事实证明，我们需要认真对待这些材料和设备中的结构缺陷，并开发研究它们的新方法。领先的学术教授A.Ya.将以他对我们公司博客的专家意见回答这些问题以及许多其他问题。波兰人。

*我想警告我们的读者，要充分理解上述内容，必须具备这些领域的知识。

亚历山大·雅科夫列维奇·波利亚科夫
大学：韩国春北国立大学
，NUST“ MISiS”客座教授

元素周期表第三组的氮化物门捷列夫（Mendeleev）是最有前途的半导体材料，原则上讲，禁带区允许获得波长范围为1.55μm至0.2μm的发射器和光接收器，以及具有很高击穿电压和大正向电流的电子设备。与硅相反，由于大的带隙和高的结合能，基于氮化物的器件必须在非常高的温度下工作良好，能够承受大剂量的辐射，并且对侵蚀性环境不敏感。这些化合物的潜力是很早以前在70年代末实现的。但是，实际应用受到两个非常重要的缺点的阻碍。首先，事实证明通过传统方法很难获得块状氮化物晶体，广泛用于其他半导体。这归因于高熔点，氮气蒸气的高挥发性及其在熔体中的低溶解度。同时，当他们试图在异质衬底上生长氮化物层时，不可能获得制造电子和光电器件所必需的单晶外延膜。其次，早期的实验研究表明，在这些半导体中无法获得p型导电性，并且p型层中的电子浓度太高。制造电子和光电设备所必需的失败。其次，早期的实验研究表明，在这些半导体中无法获得p型导电性，并且p型层中的电子浓度太高。制造电子和光电设备所必需的失败。其次，早期的实验研究表明，在这些半导体中无法获得p型导电性，并且p型层中的电子浓度太高。

第三组氮化物的物理和技术领域的快速发展始于日本科学家赤崎A.赤崎H.天野H.以及中村S.Nakamura的发现，他们发现了获得氮化镓单晶膜并用p型或p控制这种材料掺杂的方法。导电类型。解决第一个问题使用原始技术时，首先在低温下首先将非常薄的氮化铝或氮化镓非晶层施加到异质衬底（单晶蓝宝石）上，然后通过高温退火使其重结晶，变成小晶粒纹理，并且该层已经在高温下生长所需组成的氮化物。结晶完美度的提高归因于只有少数具有“正确”取向的晶粒的选择性横向生长。改善膜的结构完善性使得可以显着降低这种膜中残余供体的浓度。第二项任务的

解决方案当发现在该方向上失效的主要原因是非常有效地形成带有受体的氢配合物（总是存在于生长的薄膜中）时，就有可能获得稳定的p型导电性。结果表明，如果这些配合物被电子辐射或高温退火破坏，则可以稳定地获得氮化物膜中的空穴型导电性。从那时起，成功的主要要素就位，用于生长氮化物的技术和基于氮化物的器件也开始迅速发展。另外，事实证明异质结氮化物具有非常有趣的性质。由于不同于形成立方晶体的砷化硅或砷化镓，氮化物会以六边形晶格结晶，它们中存在一个很强的极化场，这导致在异界上形成两种不同的氮化物（例如，AlGaN / GaN）的二维电子气层具有很高的浓度，远高于AlGaAs / GaAs异质结中的浓度。可以通过使用肖特基二极管施加外部电场来控制这些二维电子的电导率。

因此，可以制备具有极大的沟道电导率的场效应晶体管（这意味着电流以导通状态承载），这可以在不需要特殊掺杂电子源层的情况下实现，这仅仅是由于所谓的极化掺杂（在AlGaAs / GaAs异质结中，特别需要强掺杂该层） AlGaAs）。

结果，开发了多种基于氮化物的器件并在创纪录的时间内进行了展示：高效的LED，强大的场效应晶体管，百叶窗光电探测器（即对紫外线辐射而不是对可见光有响应的接收器）以及低损耗整流器在导通状态和大击穿电压。

如您所知，由于他们在第三组氮化物物理学领域的革命性发现，赤崎，H.Amano和S.Nakamura去年获得了诺贝尔物理学奖，以表彰这些作品对科学和实践的重要性。

但是，立即发现氮化物的性质与其他半导体的性质根本不同。因此，在该系统中，氮化物的位错密度（与晶格参数和热膨胀系数的差异相关的线性结构扰动，以及结构中存在机械应力）比砷化镓高出五个数量级。快速设法在光谱的蓝色区域上获得有效的LED，然后再注入激光，尽管在后一种情况下，我们必须使用以下方法将位错密度从109 cm-2降低至107 cm-2。外延过度生长的选择性（ELOG，外延横向过度生长英文缩写，该方法如图1所示），该图显示了由于位错在SiO2条所掩盖的区域上的横向生长而导致的渗透性位错的滤除）。

图。1。ELOG方法的示意图，该方法可降低LED和注入激光器的GaN层中的位错密度

在AlGaN / GaN异质结中，非常快地获得了1013 cm-2数量级的二维电子气的巨大密度，而二维电子气的电导率仅由于极化掺杂而比AlGaAs / GaAs异质结高了一个数量级。因此，在AlGaN / GaN系统中制造的场效应晶体管（HEMT）立即证明了其巨大的优势。在通常情况下，LED，注入激光器，整流器，场效应晶体管对中心层和界面中深层的存在非常敏感，这些深层可以捕获载流子。

看起来，在氮化物的层，异质结和量子阱不是很完美的情况下，这些深陷阱的影响要比高度先进的半导体强。

然而，与预期相反，在初始阶段对氮化物膜进行的深层光谱研究并未证明深中心的浓度很高，并且任何中心与激光，LED和晶体管的特性都没有任何严重的联系。似乎影响参数的唯一缺陷是位错。因此，长期以来，研究人员的注意力主要集中在获得具有给定层数，给定掺杂水平，尖锐的异质边界以及位错密度可以被该应用接受的结构。

在此期间，氮化物基LED中获得有效电致发光的可能性与InGaN固溶体的旋节线衰减有关，绿色光谱区中电致发光的量子产率低与GaN / InGaN量子阱中铟的高浓度以及大量富集铟的发射区有关。对于HEMT，该方法是优化极化掺杂。在此期间，对深层缺陷性质的研究被分配了纯粹的科学任务，即积累知识并将其与理论模型的预测进行比较。

不久之后，事实证明并非所有事物都如此简单，并且深中心似乎发挥了显著作用，因为分子束外延（MBE）制成的LED从未达到与MOS氢化物外延获得的器件可比的效率。（MOCVD），非极性LED （即在偏振场为零或很小的结构上制备的 LED）的特性并没有高于极性（在这种情况下，由于偏振场这一事实，预计会有很大的增益）在空间上分开量子阱中的电子和空穴，并降低了辐射复合的效率），以及具有氮化物极性的LED的特性（在沿主六边形轴，c轴方向生长的六边形结构中，薄膜的上，下表面以不同的原子（第 III组原子（最常见的版本）或氮原子）结束，见图2。），相反理论上的考虑，比用镓极性装置的差得多。尽管在所有这些情况下，影响的原因是非常复杂和多样的，但始终可以证明，增加深部中心的浓度起着非常重要的作用[1-4]。

图。2。氮化镓中的氮和镓极性及其制备方法

在过去的几年中，出现了许多情况，这使我们对深陷阱在基于氮化物的LED，激光器和晶体管结构的行为中的作用有很大的不同。

首先，人们认为深陷阱对于高功率LED可能并不重要，因为当所有陷阱饱和且其贡献很小时，这些器件将以很高的注入电流工作。然而，事实证明，由于俄歇复合效应（能量不传递到辐射而是传递到第三粒子的复合）由于量子阱中的载流子和载流子离域，注入电流必须受到严格限制，因此非辐射复合中心的作用变得非常明显。在对内部量子产率的量有非常高的要求的背景下，这种情况非常重要。

其次，近年来的详细结构研究尚未证实在基于GaN / InGaN量子阱的蓝色LED中形成量子点的局部区域，而是对扩散长度（即非平衡电子和空穴可以在不发生重组的情况下传播的平均距离）进行了详细测量。氮化镓和基于它的LED并未证实位错的决定性作用。那么自然就会产生一个问题：哪个中心限制了属性？

第三，在深能级光谱中的蓝色和绿色非极性和极性LED结构中，发现了许多深中心，其浓度与量子效率相关，并在降解过程中增加（请参见[5]中对这一问题的讨论）。而且，当这些中心对非辐射重组的贡献可以通过与局部表面等离子体激元的相互作用来抑制时（见[6]中的综述），发光效率急剧增加。

最后，对于异质结处的场效应晶体管，很长时间以来就已经知道电流崩溃的现象（即，与恒定偏置电流相比，高频电流明显下降），这长期以来与AlGaN势垒表面上的陷阱捕获电子和形成GaN有关。称为虚拟门（这些带电的陷阱似乎会暂时增加肖特基二极管的有效面积，从而减少通过晶体管沟道的电流）。但是，最近发现这些陷阱在表面上的出现不像在AlGaN / GaN界面附近那么多，这些陷阱的设置相当有限，并且当大的工作电流通过晶体管或被高能粒子辐照时，陷阱本身就产生了（参见评论）和参考文献[5]。

因此，在基于氮化镓（LED，晶体管，整流器）的仪器结构中直接研究深层光谱的任务近来变得非常紧迫。但是，在解决此问题时，应牢记几种情况。

首先，即使在蓝色LED中，带隙也为2.7–2.8 eV，因此位于带隙中间附近的中心深度约为1.4 eV，而在深层电容光谱法（RSGS）的标准方法中，这是非常困难的在捕获截面的有利值处记录对应于区域边缘约1-1.2 eV的峰。原则上，可以使用高温低温恒温器将记录陷阱的范围扩展到1.5-1.6 eV（例如，参见SiC的工作[7]），但是对于基于氮化镓的器件，肖特基二极管的泄漏就变得至关重要。对于在UV光谱区域中工作的结构以及具有宽间隙AlGaN势垒的场效应晶体管，这个问题甚至更为严峻。镁受体的深度大（0.18 eV）还会增加其他复杂性，这会使pn结处的测量复杂化。随着UV LED中铝的摩尔分数的增加，这一困难仍然明显增加。具有量子阱的结构中显着的隧穿也带来了一个严重的问题（例如，参见[8，9]和在评论中有大量参考文献的详细讨论[5]）。在晶体管结构中，亚稳态缺陷的存在导致严重的困难。晶体管势垒中的缺陷（即条件取决于背景的缺陷）。这些缺陷会在频谱测量期间改变阈值电压。耗尽模式下晶体管的大串联电阻也会引起很大的困难[5]。（这与肖特基势垒下的二维气体层耗尽期间关断时的电阻增加相关，如图3所示）。

图。3。AlGaN / GaN结构的HEMT电容的频率依赖性中的“搁板”的边界频率变化，表明串联电阻（访问电阻）增加

最近，已经发表了许多解决这些问题的著作。特别是，在[10]和我们的许多其他工作中，表明了如何通过测量低温下HEMT结构的电容-电压-电压特性的光谱依赖性以及结构的导纳光谱（即通过测量）来确定势垒中深阱的参数。各种频率下电容和电导率的温度依赖性）。在相同的工作中以及在许多其他工作中，描述了直接在具有多指栅的晶体管结构上测量RSGU光谱的方法（该图如图4所示）。

图。4。AlGaN / GaN晶体管的多指栅极，可通过标准RSGU方法测量结构各个部分的深层光谱。

在导电缓冲器上制备结构的情况下，后一种方法原则上可以分离位于势垒和晶体管缓冲器中的陷阱。在许多工作中（例如，参见[ 11、12 ]），针对晶体管结构描述了两种版本的当前RSGU，这些结构允许陷阱在晶体管的势垒层中以及栅极和漏极之间的表面上分离。测量深层光谱并确定具有多个量子阱的LED结构和晶体管结构中的水平位置的另一种方法是基于电容光谱法的组合，其中不是在标准RSU中扫描温度，而是在激发光的波长下进行扫描（DLOS方法），这些测量与电容-电压特性的频谱相关性测量结合在一起（例如，参见[13，14]）。

最近，我们开发了一种电容式RSGU方法，该方法可以在各种频率下进行测量，从而最大程度地减小了晶体管中串联电阻的影响。该方法的具体实现还可以在各种施加的源极-漏极电压下测量光谱，因此可以非常有效地区分界面陷阱和表面陷阱[15]。图。图5示出了所研究的结构。图6显示，将测试信号的频率从1 MHz降低到10 kHz，可以在结构界面处确定一个0.3 eV的附加中心，并通过减少串联电阻的影响来正确确定其他中心的浓度。

图。5。调查结构

图。6。在不同的栅极电压值和测试信号的各种频率下测得的RSGU晶体管结构的光谱

在[16，17] （以及其他许多文献中）中描述了一种用于分析导致晶体管电流崩溃的陷阱特征并确定这些陷阱的空间位置的通用方法，并在我们的综述中进行了详细讨论[5]。所有这些研究都是我们项目的主题。

补充材料（脚注）

[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)
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[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
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
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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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