Infrarot-Reflexionsanalyse von Si-dotierten epitaktischen GaN-Schichten auf Saphirsubstraten

Zusammenfassung

Infrarot (IR) Reflexionsspektroskopie wird angewendet, um Si-dotierte Mehrschicht n⁺/n₀/n⁺-GaN-Strukturen auf GaN-Puffer mit GaN-Template/Saphir-Substrat zu untersuchen. Analyse der Struktur durch Photo-Ätzen, SEM und SIMS zeigte Existenz einer zusätzlichen Schicht mit drastischem Unterschied in Si- und O-Dotierung zwischen epitaktischem GaN-Puffer und Template. Simulation der experimentellen Reflexionsspektren in breitem Frequenzbereich durchgeführt. Es zeigt sich: Modellierung des IR-Reflexionsspektrums mit 2×2-Transfermatrix-Methode unter Einbeziehung der zusätzlichen Schicht ermöglicht beste Anpassung des experimentellen Spektrums, woraus sich GaN-Schichtdicken ergeben, die gut mit SEM- und SIMS-Daten übereinstimmen. Spektrale Abhängigkeit von Plasmon-LO-Phonon-gekoppelten Moden für jede GaN-Schicht wird aus spektraler Abhängigkeit der Dielektrizitätsfunktion der Si-Dotierverunreinigung erhalten, was auf Kompensationseffekte durch Akzeptorzustände zurückgeführt wird.

Hintergrund

In den letzten Jahren besteht hohes Interesse an III-Nitrid-Materialien, besonders GaN. Durch Durchbrüche in Wachstumstechniken finden epitaktische GaN-Filme breite Anwendung in optoelektronischen Bauelementen: blaue/UV-LEDs, Laser, und mikroelektronischen Geräten wie Hochleistungs-/Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren. Konzentration und Mobilität freier Träger sind Schlüsselparameter für Bauelementleistung. Hall-Messung von Trägerkonzentration und -mobilität in Mehrschicht-GaN-Strukturen ist nicht trivial und zeitaufwendig – erfordert ohmsche Kontakte an jeder Messschicht und dedizierte Verfahren.

Fourier-Transform-IR-Reflexionsspektroskopie und Ramanspektroskopie sind kontaktlose, nicht-destruktive Methoden, die nicht nur Phonenschwingungen untersuchen, sondern auch Trägereigenschaften charakterisieren. Bekanntes Problem konfokaler Mikro-Ramanspektroskopie: Verschlechterung der Tiefenräumlichen Auflösung durch Lichtbrechung. In Ref. [6] zeigte sich bei Tiefenscanning Mehrschicht-GaN mit 488,0 nm Anregung nur ~1,8 µm Tiefenauflösung bei ~210 nm lateraler Auflösung. IR-Spektroskopie überwindet dies durch hohe Empfindlichkeit auf Schichtdicke durch Interferenzeffekte und Dispersion des Brechungsindex in breitem Spektralbereich.

IR-Reflexionsspektren dünner GaN-Filme wurden 1973 von A.S. Baker untersucht, aber räumliche Inhomogenität und geringe Strukturqualität limitierten praktische Anwendung. Dennoch wurde Möglichkeit demonstriert, Parameter optischer Phononen und freier Trägerabsorption in dünnen GaN-Filmen zu bestimmen. Detaillierte Studien zu longitudinal-optischen Phonon-Plasmon-gekoppelten (LOPC) Moden in bulk GaN durch Perlin et al. (Raman) und Shubert et al. (IR-Ellipsometrie). Einfluss verschiedener Substrate auf optische Eigenschaften kubischer/hexagonaler GaN-Filme detailliert untersucht. Mangels nativer GaN-Substrate ist Saphir für epitaktisches GaN-Wachstum optimal für Hochtemperatur-Bauelemente. IR-Reflexionsspektroskopie hexagonalen Saphirs zeigte komplexes Spektrum, stark abhängig von Polarisation und Einfallswinkel – stark verkomplizierend Messungen und Bestimmung Phononenmoden und Träger-Eigenschaften in dünnen GaN-Filmen auf Saphir.

Daher sind Auswahl spektralem Analysealgorithmus und Dielektrizitätsfunktionsform entscheidend für Analyse von IR-Reflexionsspektren Mehrschicht-GaN-auf-Saphir-Strukturen. Diese Arbeit zeigt Möglichkeit der Anwendung IR-Reflexionsspektroskopie und 2×2-Transfermatrix-Methode für Analyse planarer GaN-basierter Mehrschichtstrukturen mit nicht-uniformen Tiefen- und Dotierprofilen, die in der Praxis verschiedene Typen III-Nitrid-basierter Bauelementstrukturen mit vertikalem Design sein können: Lichtemittierende und gleichrichtende Dioden, Gunn-Dioden, HEMTs etc.

Methoden

Experimentell

Untersuchte n⁺/n₀/n⁺-GaN-Strukturen wurden auf MOCVD GaN-Templates auf Al₂O₃ (0001) Substraten bei 800 °C durch plasmabasierte Molekularstrahlepitaxie gezüchtet: N₂-Fluss 0,5 sccm, RF-Plasmapower 350 W → Wachstumsrate ~0,27 ML/s. Zuerst 0,3 µm dicker GaN-Puffer auf MOCVD GaN-Template. Dann 0,8 µm Si-dotierte GaN-Schicht, gefolgt von 1,75 µm undotierter GaN-Schicht und 0,4 µm Si-dotierter GaN-Schicht (Abb. 1). Nenn-Si-Dotierung n⁺-GaN-Schichten ~10¹⁹ cm⁻³.

Zur Untersuchung verschiedener Trägerkonzentrationsbereiche wurde gekerbte Kante der Struktur durch Photo-Ätzen in elektroloser Konfiguration mit K₂S₂O₈–KOH wässriger Lösung (KSO-D Ätzsystem) untersucht. Methode erlaubt Aufzeigen verschiedener Trägerkonzentrationsbereiche und Visualisierung relativer Unterschiede durch Ätzratenmessung via Oberflächenprofilometrie. Querschnitt 3 min photo-geätzt, dann SEM.

SIMS (CAMECA IMS6F, Cs⁺ Primärstrahl, 400 nA) für Impuritätskonzentrationsprofile. Raster ~50×50 µm², Sekundärionen aus zentralem 30 µm Durchmesser. H, C, O, Si Konzentrationen aus H⁻, O⁻, C⁻, Si⁻ Spezies, Matrixsignal Ga⁻ als Referenz.

IR-Reflexionsspektroskopie 300–4000 cm⁻¹, spektrale Auflösung 1 cm⁻¹, Raumtemperatur, Bruker Vertex 70 V FTIR-Spektrometer mit Globar-Quelle und deuteriertem Triglycinsulfat (DLaTGS) Detektor mit Polyethylen-Fenster. Einfallswinkel 11°. S-polarisierte Spektren mit KRS-5 Polarisator. Reflexionsspektrum Goldspiegel als Referenz.

Optisches Analysemodell

Reflexion von Schicht/Substrat-System berechnet via 2×2-Transfermatrix-Methode, beliebig viele Schichten einbeziehbar, Interferenzeffekte innerhalb Filmen automatisch berücksichtigt. Für isotrope Schichtsysteme ermöglicht unabhängige Berechnung s- und p-polarisierter Reflexions- und Transmissionsspektren bei homogenen biaxialen/uniaxialen isotropen Platten mit c-Achse parallel zu Labor-z-Achse. 2×2 Transfermatrix in folgender Form [21]: (Gleichung 1). Phasenverschiebung für s-/p-Polarisation nach Passage durch l-te Schicht (Gleichung 3). Partielle Reflexions-/Transmissionskoeffizienten via Fresnel-Gleichungen (Gleichung 4). Komplexe Reflexionsverhältnisse Mehrschichtstapel durch Einsetzen in Gleichung 1 (Gleichung 5).

IR-Dielektrizitätsfunktionsmodell

Brechungsindex hängt von komplexer Dielektrizitätsfunktion ε(ω) ab: ε(ω) = ε^lat(ω) + ε^fc(ω) (Gleichung 5). Erster Term: Gittermoden-Dispersion, zweiter: freie Trägeranregungen. Gittermodenbeitrag ε^lat(ω) bei Phononenenergie ℏω via faktorisiertem Modell mit Lorentz'scher Verbreiterung (Gleichung 6). Freie Trägerbeitrag ε^fc(ω) via klassischer Drude-Näherung (Gleichung 7) mit Plasmenfrequenz ω_p (Gleichung 8) und Plasmen-Dämpfung γ_p (Gleichung 9). Parameter ω_LO und LOPC-Moden aus Imaginärteil der Energieverlustfunktion –Im(-1/ε(ω)) [7].

Ergebnisse und Diskussion

SEM (Abb. 2) zeigt photo-geätzten Querschnitt n⁺/n₀/n⁺-GaN auf GaN-Puffer/GaN-Template/Saphir: sechs distinkte Schichten sichtbar – fünf GaN-Schichten mit unterschiedlicher Trägerkonzentration und Saphirsubstrat. Gesamtdicke der GaN-Struktur per SEM stimmt mit technologischer überein; beobachtete GaN-Schichten gemäß Abb. 1 zuordnungsbar: oberes Si-dotiertes n⁺ (Schicht 1), undotiertes n₀ (Schicht 2), unteres Si-dotiertes n⁺ (Schicht 3), undotierter GaN-Puffer (Schicht 4), GaN-Template.

SIMS (Abb. 3) korreliert gut mit nomineller Schichtdicke und Gesamtdicke. Alle Elemente (H, C, O, Si) über Nachweisgrenze (3–5×10¹⁶ at/cm³). Intentionales Si-Profil stimmt allgemein mit nominellem Profil überein: ~2,8×10¹⁹ cm⁻³ in dotierten n⁺-Bereichen, ~2,3×10¹⁷ cm⁻³ in undotiertem n₀. Jedoch: dünne (<50 nm) Delta-Schicht mit Si-Konzentration 1,1×10¹⁹ cm⁻³ zwischen GaN-Puffer und GaN-Template. Diese Delta-Schicht enthält auch höhere unbeabsichtigte O (2,4×10¹⁹ cm⁻³) und C (1,4×10¹⁸ cm⁻³) Verunreinigungen. Bezieht sich auf homoepitaktische Regrowth-Schnittstelle, typischerweise durch GaN-Template-Kontamination mit O, Si, C aus Atmosphäre beim Laden oder Regrowth-Beginn.

SEM und SIMS geben GaN-Schichtstruktur, die von nominellen Parametern durch zusätzliche GaN-Region abweicht, aber Gesamtdicke stimmt. Um Einfluss zusätzlicher Delta-Schicht auf IR-Reflexionsspektrum zu klären, Simulation mit Modellen: 6 Schichten (nominell/SEM) und 7 Schichten (SIMS). Berechnete Spektren in Abb. 4.

Abb. 4: 7-Schicht-Modell (SIMS) gibt beste Annäherung an experimentelles IR-Reflexionsspektrum. Weitere Simulationen/Analysen mit diesem Modell mit modifizierten Parametern vs. nominelle (Abb. 1), berücksichtigend zusätzliche Schicht zwischen technologischem GaN-Puffer und GaN-Template (Abb. 5).

Abb. 6: Experimentelle und angepasste theoretische s-polarisierte Reflexionsspektren bei 11° Einfallswinkel. Berechnetes Spektrum basiert auf Modell (Abb. 5). Dispersion komplexen Brechungsindex für GaN-Schichten und Saphir via Gleichung 5. Saphir als semi-unendlich betrachtet, interne Reflexionen im Substrat und von unpolierter Rückseite vernachlässigbar. Komplizierte Struktur im Reststrahlenbereich durch Überlappung GaN- und Al₂O₃-Reststrahlenbänder plus Interferenzeffekte. Vergleich liefert nicht nur Dickeninformationen, sondern hilft Interpretation Reststrahlenbereich in Beiträgen verschiedener Materialien.

Schichtdickenbestimmung aus Reflexionsdaten ist zweistufig [27]: Erstens: Interferenzstreifen im transparenten Bereich oberhalb Reststrahlenbänder (ω > 1200 cm⁻¹) geben Gesamtdicke (Summe aller Schichten). Zweitens: Individuelle Schichtdicken durch Anpassen berechneter Spektren an Interferenzeffekte im Reststrahlenbereich. Schichtdicken variiert unter Berücksichtigung zuvor bestimmter Gesamtdicke. Unter dieser Bedingung ändert sich Reflexion >1200 cm⁻¹ nicht signifikant. Interferenzstreifen im Reststrahlenbereich unterscheidbar von TO/LO-Moden durch Positionsverschiebung bei Dickenvariation [28].

Bei Approximation im Reststrahlenbereich wurden Modellparameter variiert: Dämpfung γ_LO, γ_TO für E₁(LO) und E₁(TO) Phononenmoden; Plasmenfrequenz ω_p; Plasmen-Dämpfung γ_p; Schichtdicken. Nur E₁-Symmetrie-Phononen IR-aktiv in s-Polarisation [9]. Initiale Frequenzen E₁(LO)/E₁(TO) für GaN und Saphir aus IR-Reflexion [29] und Raman [6,14]. Typische GaN-Phononenfrequenzen: ω_TO = 560 cm⁻¹, ω_LO = 740 cm⁻¹. Phononenfrequenzen pro Schicht im Fitting verfeinert. Beste Anpassungsparameter mit Fehlerbalken in Tabelle 1. Erhaltene Schichtdicken stimmen gut mit SEM-Daten überein.

Bezugnehmend auf Abb. 6a: Reflexionspeak ~450 cm⁻¹ Saphirsubtrat. Merkmale 500–740 cm⁻¹: Überlappung GaN-Schichten und Saphir-Reststrahlenbänder. Tiefere Analyse: IR-Reflexionsspektren bulk GaN und 6,78-µm-GaN auf Saphir (Gesamtdicke entsprechend) im Reststrahlenband simuliert (Abb. 7). Spektren 6,78-µm-GaN auf Saphir und bulk GaN im Bereich 500–740 cm⁻¹ ähneln experimentellem Spektrum. Kleines Merkmal ~511 cm⁻¹: Saphirsubtrat. Bei ~736 cm⁻¹ schwacher Dip: A₁(LO) Mode GaN-Template. Nach Selektionsregeln A₁(LO) in s-polarisiertem IR verboten [9]. Möglicher Grund: Polarisationsleck durch Apertur des Reflexionszubehörs sowie Mikroinhomogenitäten GaN-Kristallstruktur (Neigung c-Achse säulenförmiger Wurtzitstruktur von Wachstumsebene). Dieser Mode nicht in Modellierung berücksichtigt wegen schwachem Einfluss. Merkmale 750–1200 cm⁻¹: Überlappung GaN:Si und Saphir Reststrahlenbänder und Interface-Effekte. Abfall ~775 cm⁻¹: Interface-Effekt an Rand Reststrahlenband GaN/Saphir. Breiter Dip ~825 cm⁻¹: Überlappung Hochfrequenzzweig Plasmon-LO-Phonon-gekoppelter Mode (LPP⁺) der n⁺-Schichten.

Abb. 8: Berechnete Imaginärteile Energieverlustfunktion für jede Schicht nach Oszillatorparametern Tabelle 1 zur Schätzung E₁-LOPC-Moden. Hochfrequenzzweig LPP⁺ bei Trägerkonzentrationen <10¹⁷ cm⁻³ (n₀-Schicht, Template) fällt fast mit E₁(LO) Phononenmode zusammen. Erhöhung Trägerkonzentration 2×10¹⁷–3×10¹⁸ cm⁻³ (Abb. 5) führt zu signifikantem Hochfrequenzverschiebung und Verbreiterung LPP⁺-Zweigs – zeigt erhöhte LO-Phonon-Plasmon-Wechselwirkung und verringerte Ladungsträgermobilität. Verhalten stimmt gut mit experimentellen Daten IR-Reflexion Si-dotierter GaN auf Saphir [30] und Raman bulk GaN [10], epitaktische Schichten [31] überein. Niedrigfrequenz LPP⁻-Zweig LOPC nicht zuverlässig definierbar, da s-polarisierte IR-Spektren nicht <300 cm⁻¹ gemessen.

Trägerkonzentration und -mobilität (Tabelle 2) berechnet via Gleichungen 8,9 mit Elektronen-Effektivmasse m* = 0,2 m₀ [32]. Berechnetes Trägerkonzentrationsprofil ähnlich Si-Impuritätsprofil SIMS (Abb. 3), aber Größenordnung niedrigere Trägerkonzentrationen vs. Si-Dotierverunreinigung. Diskrepanz Träger vs. Dotierverunreinigung früher beobachtet [33], zurückgeführt auf Kompensationseffekte durch Akzeptorzustände (wahrscheinlich Gallium-Vakanzen), deren Bildungsenergie mit steigender n-Dotierung sinkt [34]. Trägerkonzentration n⁺-Schichten ~10¹⁸ cm⁻³ in gutem Einklang mit unseren Raman-Studien ähnlicher GaN-Strukturen via LOPC-Analyse [6]. Abnehmende Trägerbeweglichkeit μ mit steigender Trägerkonzentration stimmt mit Hall-Experimenten GaN [35] und theoretischer Modellierung [36] überein.

Hochfrequente Dielektrizitätskonstante ε_∞ im Bereich 4,99–5,35 (Tabelle 1). Anstieg ε_∞ für dotierte n⁺-Schichten vs. n₀-Schichten auf Rotverschiebung α-GaN-Bandlücke zurückführbar [37]. ε_∞ bestimmbar mit relativ kleinem Fehler nur für niedrig-leitende Filme. Genauigkeit ε_∞ nimmt mit Trägerkonzentration ab, da ε_∞ „Hochfrequenz“-Limes bei Extrapolation auf kürzere Wellenzahlen als hier untersucht [11]. Breiter Spektralbereich 300–4000 cm⁻¹ analysiert zur Fehlerreduktion bei ε_∞ und anderen Parametern für IR-Reflexionsspektren n⁺-Schichten.

Schlussfolgerungen

IR-Reflexionsspektren Mehrschichtstruktur aus GaN-Schichten auf Saphir mit unterschiedlichen Si-Dotierungen detailliert gemessen und analysiert. SEM photo-geätztem Querschnitt korreliert gut mit technologischen Parametern. SIMS zeigte dünne Delta-Schicht nahe GaN-Puffer/GaN-Template-Interface mit höherem Si- und O-Gehalt, bedingt durch homoepitaktische Regrowth-Schnittstelle. Modellierung IR-Reflexionsspektrum mit Einbeziehung zusätzlicher Schicht ermöglichte beste Anpassung experimentelles Spektrum. Erhaltene GaN-Schichtdicken stimmen gut mit SEM und SIMS überein. Aus spektraler Abhängigkeit Dielektrizitätsfunktion berechnete LOPC-Moden für jede GaN-Schicht zeigten Hochfrequenzverschiebung und Verbreiterung LPP⁺-Zweigs mit steigender Trägerkonzentration. Trägerkonzentration und -mobilität pro GaN-Schicht aus Plasmenfrequenz und -dämpfung berechnet. Trägerkonzentrationsprofil ähnlich SIMS, aber Werte eine Größenordnung niedriger als Si-Dotierverunreinigung – zuzuschreiben Kompensation durch Defekt-Akzeptorzustände. Somit demonstriert: IR-Reflexionsspektroskopie und 2×2-Transfermatrix-Methode erfolgreich anwendbar für Analyse epitaktischer Mehrschicht-GaN-Strukturen mit nicht-uniformen Dotierprofilen, ermöglichen Bestimmung fundamentaler Elektronen- und Phononenparameter jeder GaN-Schicht.