GaN厚膜中的質(zhì)子輻照誘生缺陷研究*

張明蘭 楊瑞霞 李卓昕 曹興忠王寶義王曉暉

1)(河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401)

2)(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

3)(中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049)

(2012年12月17日收到;2013年1月25日收到修改稿)

1 引言

氮化鎵(GaN)屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大、耐高溫、抗腐蝕，是制備高性能光、電器件的理想材料.由于抗輻射能力強(qiáng)，GaN基器件可以用于外太空、石油鉆井平臺(tái)等高溫、強(qiáng)輻射環(huán)境中.隨著研究工作的不斷深入，材料生長(zhǎng)技術(shù)日趨成熟，器件制備也取得了突破性的進(jìn)展，并且在相關(guān)領(lǐng)域得到了應(yīng)用.外太空中普遍存在的宇宙射線、高能質(zhì)子、電子、γ射線等對(duì)器件的可靠性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅.近年，國(guó)際上一些主要的研究機(jī)構(gòu)紛紛開展了GaN基材料和器件的輻照效應(yīng)研究，如位于俄亥俄州的美國(guó)空軍研究所[1]和俄亥俄州立大學(xué)自2005年就開始研究GaN基器件的輻照效應(yīng)、日本法政大學(xué)的Kuriyama小組[2]致力于GaN基材料的中子輻照效應(yīng)研究、俄羅斯稀土金屬研究所的Polyakov小組[3]也是最早開展此類研究的機(jī)構(gòu)之一.本文作者在國(guó)內(nèi)最早開展了GaN基材料的中子輻照效應(yīng)研究[4].質(zhì)子作為范·艾倫帶的主要成分，是半導(dǎo)體器件在外太空中面臨的主要威脅之一，質(zhì)子與GaN材料的作用包括電離過程和位移過程，前者屬于瞬時(shí)過程，后者會(huì)在材料中形成晶格缺陷，屬于永久性損傷，是引起半導(dǎo)體器件性能退化的主要因素，研究GaN材料的質(zhì)子輻照效應(yīng)，對(duì)提高器件的抗輻射能力具有重要意義.

正電子湮沒譜對(duì)材料結(jié)構(gòu)和空位型缺陷非常敏感，屬于無損傷測(cè)試技術(shù)，通過測(cè)試材料正電子壽命的變化情況，可以得到材料結(jié)構(gòu)、缺陷類型和濃度等重要信息[5].由于GaN材料中Ga，N的位移閾能都比較大，質(zhì)子輻照在材料中主要產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，如空位或空位團(tuán).本文采用常規(guī)正電子湮沒壽命譜研究HVPE方法生長(zhǎng)的GaN厚膜中質(zhì)子輻照誘生缺陷，在10K低溫下測(cè)試樣品的光致發(fā)光譜(PL)，研究質(zhì)子輻照對(duì)缺陷發(fā)光特性產(chǎn)生的影響，通過雙晶XRD測(cè)試研究輻照前后晶格完整性的變化情況.

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)中使用的n型非故意摻雜GaN樣品是在C面藍(lán)寶石襯底上用氫化物氣相外延(hydride vapour phase epitaxy，HVPE)設(shè)備生長(zhǎng)的，生長(zhǎng)過程以N2作為載氣，生長(zhǎng)區(qū)溫度控制在1050°C左右，總厚度約60μm.樣品的Hall遷移率約95 cm2/V·s，背景電子濃度接近1019cm-3.

質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)是在北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的.圖1是用SRIM軟件模擬得到的質(zhì)子在GaN中的射程與入射能量的關(guān)系，隨著入射能量增大，射程近似線性增長(zhǎng).考慮到實(shí)際的GaN基器件有效厚度通常都只有幾個(gè)μm，如藍(lán)寶石襯底上AlGaN/GaN HEMT有效厚度僅3μm左右，而外太空中同步衛(wèi)星軌道附近的質(zhì)子能量通常大于4 MeV，由圖1可知，其射程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了器件的有效厚度，為了更真實(shí)地反映器件中的實(shí)際情況，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的質(zhì)子能量是5 MeV，這樣可以保證60μm厚的GaN受到均勻的輻照，實(shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行的.文中將未輻照、注量為1012cm-2和5×1012cm-2的樣品依次標(biāo)為A，B，C.

圖1 GaN中入射質(zhì)子能量與射程的關(guān)系

正電子湮沒壽命譜測(cè)試是在中科院高能物理所自建的快-慢符合常規(guī)正電子壽命譜儀上進(jìn)行的，該譜儀的正電子源是以Kapton薄膜為襯底的22Na，源強(qiáng)約0.5×106Bp，時(shí)間分辨率約196 ps，每個(gè)譜累積計(jì)數(shù)2×106.根據(jù)下式可以計(jì)算出正電子在材料中的入射深度：

式中a是正電子平均射程的倒數(shù)(cm-1)，Emax是正電子的最大能量(MeV)，ρ是靶材料的體密度(g·cm-3).GaN 的體密度約為 6.1 g/cm3，22Na源發(fā)出的正電子最大能量為0.545 MeV，代入(1)式可得正電子在GaN中的最大入射深度為43.8μm，小于薄膜厚度60μm，所以質(zhì)子輻照產(chǎn)生的缺陷在正電子可以探測(cè)的范圍之內(nèi).

3 結(jié)果與討論

理想的正電子壽命譜可以分解為多個(gè)指數(shù)成分，每個(gè)指數(shù)成分對(duì)應(yīng)一種俘獲中心，通過對(duì)壽命譜解譜，可以得到各個(gè)俘獲中心的壽命值[5]，本實(shí)驗(yàn)中使用的解譜軟件為國(guó)際通用的軟件包Lifetime 9.0，采用三壽命自由擬合方法，扣除源成分：382 ps，擬合結(jié)果如表 1 所示，τ1，τ2，τ3表示 3 個(gè)壽命成分，I1，I2，I3分別是它們各自對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度.

表1 正電子壽命譜解譜結(jié)果

室溫下，GaN材料的體壽命實(shí)驗(yàn)值τb=160 ps，理論計(jì)算值為 131 ps[6]，表 1中缺陷壽命τ2的值均大于體壽命，并且隨著質(zhì)子注量有所增大.在化合物半導(dǎo)體中，缺陷壽命和體壽命的比值是確定材料中缺陷類型的依據(jù)[7]，樣品 A中1.1＜τ2/τb=1.12＜1.3，說明未經(jīng)輻照的GaN樣品中存在單空位.研究表明：在HVPE方法生長(zhǎng)的GaN中，VGa-ON復(fù)合缺陷的形成能遠(yuǎn)小于孤立VGa的形成能，所以VGa通常以VGaON復(fù)合缺陷的形式存在，并且這種復(fù)合型缺陷會(huì)大量聚集在刃位錯(cuò)周圍[8]，這說明樣品A中測(cè)得的缺陷壽命τ2是VGaON復(fù)合缺陷的壽命.經(jīng)質(zhì)子輻照后，B和C中的缺陷壽命明顯增大，τ2/τb依次上升為1.25和1.26，但其數(shù)值仍小于1.3，說明輻照誘生缺陷也是單空位，沒有雙空位或更大的空位團(tuán)形成.質(zhì)子與GaN作用后形成的單空位主要是VGa和VN，其中VN帶正電，不能俘獲正電子，而VGa是帶負(fù)電的施主態(tài)，所以能俘獲正電子的一定是VGa.表1中的缺陷壽命τ2與文獻(xiàn)報(bào)道的孤立VGa壽命的理論值非常接近，但小于實(shí)驗(yàn)值(235±5 ps)[6]，我們認(rèn)為在輻照后的GaN樣品中，除了位移過程中產(chǎn)生孤立的VGa充當(dāng)正電子俘獲中心之外，樣品中固有的VGaON復(fù)合缺陷形成了另外一部分俘獲中心，后者的壽命小于前者，τ2是這兩種俘獲的平均效果，所以實(shí)驗(yàn)中得到的壽命值小于孤立VGa的壽命.由文獻(xiàn)[5]可知：半導(dǎo)體材料的正電子壽命不會(huì)超過500 ps，而τ3遠(yuǎn)大于這個(gè)值，說明材料中形成了電子偶素.

圖2是10 K低溫下測(cè)得樣品的PL譜，在3.47 eV左右出現(xiàn)了尖銳的帶邊發(fā)光峰，插圖中是歸一化處理之后的帶邊峰，顯然，質(zhì)子輻照后，帶邊峰出現(xiàn)了明顯的“藍(lán)移”，Wang等人在中子輻照后的GaN中也觀察到了類似的現(xiàn)象[9]，關(guān)于這一現(xiàn)象的起因目前還沒有明確的解釋.以2.2 eV為中心出現(xiàn)的是黃光帶，長(zhǎng)期以來，相當(dāng)一部分研究者認(rèn)為VGa或者由它構(gòu)成的復(fù)合缺陷就是產(chǎn)生黃光帶的缺陷中心，Saarinen等人還曾經(jīng)在黃光帶的發(fā)光強(qiáng)度和VGa濃度之間建立起了線性關(guān)系[10].但不久之后，Armitage等人就通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[11]：在VGa濃度極低的C摻雜半絕緣GaN樣品中存在很強(qiáng)的黃光帶，這說明黃光帶不是VGa產(chǎn)生的，結(jié)合Ogino等人關(guān)于黃光帶起源的假設(shè)[12]，Armitage認(rèn)為光黃帶是由C雜質(zhì)缺陷產(chǎn)生的，Lyons等人通過理論計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論正確性[13].從圖2可知，無論質(zhì)子輻照前后，樣品的PL譜中都存在黃光帶，從前文的正電子壽命分析結(jié)果知道：在質(zhì)子輻照后的GaN樣品中出現(xiàn)了大量VGa，如果黃光帶的起源是與VGa相關(guān)的，那么輻照后黃光帶應(yīng)該增強(qiáng)，實(shí)際情況則與此相反，說明Armitag等人的假設(shè)是成立的，黃光帶與VGa之間不存在必然的聯(lián)系，它應(yīng)該與C雜質(zhì)缺陷是相關(guān)的.GaN材料中縱向光學(xué)支聲子(LO)的能量約92 meV，所以3.39 eV附近出現(xiàn)的發(fā)光峰是自由激子峰(3.482 eV)的1級(jí)聲子伴線;3.29 eV對(duì)應(yīng)的是淺施主-受主對(duì)(DAP)躍遷產(chǎn)生的發(fā)光峰，3.2 eV和3.12 eV附近出現(xiàn)的是該發(fā)光峰的第1和第2級(jí)LO聲子伴線[14].這些譜線和黃光帶除了發(fā)光強(qiáng)度略有變化之外，發(fā)光峰的位置在輻照前后基本上保持不變，說明質(zhì)子輻照對(duì)樣品中固有缺陷的影響很小，只是由于輻照誘生的非輻射復(fù)合中心增多，固有缺陷的發(fā)光強(qiáng)度減弱了.

圖3是樣品(0002)面的雙晶XRD ω-2θ聯(lián)動(dòng)掃描曲線，該曲線的半峰寬與材料中的缺陷和晶體質(zhì)量密切相關(guān)，從圖中可以看出：質(zhì)子輻照后，樣品(0002)面的衍射峰半峰寬明顯增大，其數(shù)值依次為505，660，695 arcsec，說明質(zhì)子輻照誘生缺陷破壞了晶格的完整性，導(dǎo)致薄膜晶體質(zhì)量下降.

圖2 低溫PL譜(測(cè)試溫度10 K)

圖3 (0002)面ω-2θ聯(lián)動(dòng)掃描曲線

4 結(jié)論

用能量為5MeV的質(zhì)子對(duì)HVPE方法生長(zhǎng)的GaN厚膜進(jìn)行了輻照，正電子湮沒壽命譜分析結(jié)果顯示：輻照誘生缺陷以VGa構(gòu)成的單空位為主，沒有雙空位或空位團(tuán)形成.低溫PL譜中黃光帶的發(fā)光強(qiáng)度在輻照后減弱，意味著VGa不是產(chǎn)生黃光帶的缺陷中心，除了帶邊峰出現(xiàn)“藍(lán)移”之外，黃光帶和其他LO聲子伴線的位置在輻照前后沒有變化，說明輻照對(duì)GaN厚膜中固有缺陷沒有產(chǎn)生影響，輻照誘生的非輻射復(fù)合中心使固有缺陷的發(fā)光強(qiáng)度下降.輻照后樣品的(0002)面XRD衍射峰的半高寬明顯增大，薄膜晶體質(zhì)量變差.

感謝北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題對(duì)研究工作的支持.

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