Defektanalyse in Mg-implantierten vs. Mg-dotierten GaN-Schichten auf freistehenden Substraten

Zusammenfassung

Ineffiziente Mg-induzierte p-Typ-Dotierung bleibt ein Haupthindernis für GaN-basierte elektronische Bauelemente in Festkörperbeleuchtung und Leistungsanwendungen. Diese Studie berichtet eine vergleichende strukturelle Analyse von Defekten in GaN-Schichten auf freistehenden GaN-Substraten, bei denen Mg-Einbau über zwei Ansätze erfolgt: Ionenimplantation und epitaxiale Dotierung. Rastertransmissionelektronenmikroskopie (STEM) offenbarte pyramidenförmige und linienförmige Defekte nur in der Mg-implantierten Probe, während die Mg-dotierte Probe diese Defekte nicht zeigte – was darauf hindeutet, dass die Defektnatur von der Einbau-Methode abhängt. Aus Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) ergibt sich eine direkte Korrespondenz zwischen Mg-Konzentrationen und Lage/Typ dieser Defekte. Unsere Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese pyramidenförmigen und linienförmigen Defekte Mg-reiche Spezies sind und ihre Entstehung zu reduzierten freien Lochdichten führen kann – ein weiterhin großes Problem für p-GaN-Materialien und -Bauelemente. Da freistehende GaN-Substrate eine Plattform für p-n-Übergangs-basierte vertikale Bauelemente bieten, liefert die vergleichende strukturelle Untersuchung von Defekten durch unterschiedliche Mg-Einbauprozesse in GaN-Schichten auf solchen Substraten tieferen Einblick in Mg-Selbstkompensationsmechanismen und Optimierung von Mg-Dotierung und/oder Implantation für den Fortschritt der GaN-Bauelementetechnologie.

Einleitung

Seit drei Jahrzehnten ist GaN einer der am meisten untersuchten Verbindungshalbleiter weltweit – aufgrund seines enormen Potenzials nicht nur in Festkörperbeleuchtung, sondern auch in Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen [1–8]. Für den erfolgreichen Einsatz GaN-basierter Bauelemente in solchen Anwendungen ist kontrollierbares n- und p-Typ-Dotieren die Schlüsselforderung. In dieser Hinsicht ist n-Typ-Dotierung in GaN-Epischichten oder Einkristallen jetzt weitestgehend optimiert im Vergleich zum p-Typ-Gegenstück, das für Wissenschaft und Industrie noch ein Flaschenhals bleibt. Bisher hat sich Mg als effizientester p-Typ-Dopant erwiesen, trotz hoher Aktivierungsenergie, die hohe Mg-Konzentrationen (~10¹⁹ cm⁻³ oder mehr) erfordert, um vernünftige freie Lochkonzentrationen nahe 10¹⁸ cm⁻³ zu erreichen. Erhöhung der Mg-Atomkonzentration über 10¹⁹ cm⁻³ führt zu Abnahme der freien Lochkonzentration [9–11]. Dies wird mainly der Erzeugung von N-Vakanzen [12–14], Mg-bezogenen Punktdefekten [10,15] oder Mg-Vakanz-bezogenen geladenen/neutralen Komplexen zugeschrieben, die das Fermi-Niveau senken und freie Lochkonzentrationen sättigen [16,17]. Basierend auf Photolumineszenz-Messungen mit Peak bei 2,9 eV wurde auch ein tiefes Donator-Defektkomplex Mg-V_N als primärer Grund für den Selbstkompensationsmechanismus angesehen [17–19]. Trotz zahlreicher signifikanter Forschungsversuche zum Verständnis der Mg-Inkorporation in GaN bleibt dieses Problem unklar und bedarf weiterer Analyse.

Die meisten früheren Berichte zur Defektanalyse mittels atomarer Mikroskopie basieren auf Mg-dotierten GaN-Schichten auf Saphir, gewachsen per MOCVD oder MBE. Soweit uns bekannt, gibt es nur wenige Berichte zur Defektanalyse in Mg-dotierten freistehenden GaN-Substraten und keinen Bericht zu TEM-basierter Defektanalyse in freistehenden GaN-Substraten mit Mg-Einbau via Ionenimplantation. Es ist jetzt allgemein anerkannt, dass freistehende GaN-Substrate Vorteile gegenüber MOCVD/MBE-gewachsenen GaN-Schichten auf Fremdsubstraten bieten – reduzierte Versetzungsdichten und Anwendung in effizienten vertikalen Bauelementen. Das Erreichen ausreichender p-Typ-Dopantenaktivität in solchen Substraten via Ionenimplantation muss für Kommerzialisierung und Entwicklung GaN-basierter Festkörperbeleuchtung und Hochleistungsbauelemente erforscht werden. Mit diesen Zielen führten wir detaillierte strukturelle Analyse von Mg-induzierten Defekten in GaN-Freistandschichten durch, wobei Mg-Einbau durch Dotierung und Ionenimplantation erfolgte.

Experimentelle Methoden

Freistehende n-GaN-Substrate, gewachsen per Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE), wurden verwendet. Darauf wurden epitaxiale Schichten per MOCVD gezüchtet. Mg-Einbau erfolgte über zwei Ansätze: Ionenimplantation und epitaxiale Dotierung. Im ersten Fall wurde Mg in eine 4-µm-dicke undotierte GaN-Epitaxieschicht implantiert, ohne Schutzschicht auf der undotierten GaN-Schicht, während im zweiten Fall 1-µm-dicke Mg-dotierte GaN epitaxial auf 4-µm-dicke undotierte GaN-Schichten kontinuierlich gewachsen wurde. Für verlässlichen Vergleich wurde Mg-Einbau-Niveau in beiden Fällen gleich bei 4 × 10¹⁹ cm⁻³ gehalten. Mg-Implantation erfolgte bei 500 °C gefolgt von Ausheilung bei 1350 °C zur Dopanten-Aktivierung. Implantationsenergien: 15, 30, 55, 95, 180 keV mit Dosierungen 3,0 × 10¹³, 5,5 × 10¹⁵, 1,1 × 10¹⁴, 1,9 × 10¹⁴, 8 × 10¹⁴ cm⁻² für ein 200-nm-tiefes Box-Profil. Hall-Messungen evaluierten elektrische Eigenschaften. Für Mg-dotierte GaN: Lochkonzentration 3,4 × 10¹⁷ cm⁻³, Beweglichkeit 9,5 cm²/V·s. Mg-implantierte Probe war zu hochohmig für verlässliche elektrische Charakterisierung. Mg-Tiefenverteilung wurde per SIMS untersucht; STEM-Analyse für strukturelle Untersuchung Mg-induzierter Defekte. STEM und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) mit JEOL JEM-ARM200F bei 200 und 80 kV. TEM-Proben per Fokussiertem-Ionenstrahl-Fräsen (Ga-Strahl) gefolgt von flüssigstickstoffgekühltem niedrigenergetischem Ar-Ionen-Fräsen hergestellt.

Ergebnisse und Diskussion

Defektanalyse in Mg-implantiertem GaN

Abbildung 1(a) zeigt Hellfeld (BF)-STEM-Bild von Mg-implantiertem GaN, (b) korrespondierendes SIMS-Profil. Der Pfeil in 1(a) zeigt positive [0001]-Richtung, Betrachtung entlang [11-20] Zonenachse. Defekte sind nicht gleichmäßig als Funktion der Tiefe verteilt; direkte Korrelation zwischen Mg-Konzentration und Defekten ist sichtbar. Die meisten Defekte akkumulieren bei ~150 nm ab Oberfläche, wo Mg-Konzentration >10¹⁹ cm⁻³ (SIMS). Für bessere Defektvisualisierung wurde unter Off-Zonenachse-Bedingung abgebildet: Probenneigung 10° um c-Achse von [11-20] Achse. Dies schwächt Beugungskontrast des perfekten Kristalls ab und verstärkt Defektkontrast. BF-STEM unter dieser Bedingung (Abb. 1c) zeigt Linien-Defekte bei ~200 nm Tiefe. Korrespondierendes Mg-SIMS-Profil in linearer Skala (Abb. 1d) zeigt direkte Korrespondenz zwischen Existenz dieser Linien-Defekte und Mg-Konzentration – lokalisiert in schmaler Region mit Mg ~mittlere 10¹⁹ cm⁻³.

Hochvergrößerung BF-STEM unter Off-Zonenachse (Abb. 2a) mit (b) markiertem Bereich bei höherer Vergrößerung. In (b) vier Strukturtypen A, B, C, D. „A“ sind pyramidenförmige Defekte, „B“ Linien-Defekte.

Strukturelle Beobachtung dieser Defekte ist wichtig für Verständnis Mg-Kompensationsmechanismen. Nächste Abschnitte widmen sich struktureller Analyse von Typ „A“ und „B“. Strukturen „A“ sind pyramidenförmige Defekte mit positiver [0001]-Richtung zur Spitze, Basis auf [0001]-Ebene mit sechs Wänden auf [11-23] Ebenen (HRTEM Abb. 2c). Schematische Darstellung in Abb. 2c. Abb. 2(c) senkrecht zu [0001] gequetscht (d) – Gitter erscheint in pyramidenförmiger Domäne verzerrt vs. umgebender GaN-Matrix, was Verschiebung zwischen Ga- und N-Teilgittern innen/außen anzeigt. Konsistent mit Vennegues et al. [20] mit ähnlichen pyramidenförmigen Domänen. Ähnliche pyramidenförmige Defekte wurden früher in Mg-dotierten GaN-Filmen beobachtet, erklärt durch Modifikation der GaN-Atomstruktur durch Mg-Einführung [19–24]. Liliental-Weber et al. [25,26] schlugen vor, solche pyramidenförmigen Defekte stammen von Mg-reichen Clustern nahe den Pyramidenspitzen. GaN-Wurtzit-Struktur wird durch hexagonale Stapelung von N-Ebenen mit halb gefüllten N-Teilgitter-Tetraederplätzen durch Ga-Atome beschrieben. Vennegues et al. [27] schlugen vor: Höherer Mg-Einbau in GaN führt zu Ga-Substitution durch Mg, bildet Mg₃N₂ (Antibixbyit-Struktur). Antibixbyit Mg₃N₂ entspricht Befüllung von N-Teilgitter-Tetraederplätzen durch Mg, der drei von vier Plätzen besetzt. Nach Vennegues-Modell [27] kann pyramidenförmige Domäne als zwei GaN-Kristalle entgegengesetzter Polarität betrachtet werden, getrennt durch Monolage Mg₃N₂. Unterstützt durch Hansen et al. [28] (pyramidenförmige Domänen = Mg₃N₂-Einschlüsse). Vennegues [27] und Leroux [23] berichteten, dass solche nanometergroßen pyramidenförmigen Domänen Mg-Einbau im niedrigen bis mittleren 10¹⁹ cm⁻³-Bereich erfordern. Konsistent mit unseren Befunden: pyramidenförmige Defekte (Struktur „A“ in Abb. 2b) bei niedrigen bis mittleren 10¹⁹ cm⁻³ Mg (Korrelation STEM Abb. 1c und SIMS Abb. 1d). Daher sind diese pyramidenförmigen Defekte Mg-reiche pyramidenförmige Domänen, deren Bildung direkt mit Mg-Kompensationsmechanismus in p-GaN verknüpft ist.

Typ „C“ und „D“ Defekte (Abb. 2b) sind im Wesentlichen ähnliche Strukturen mit Dimensionsvariationen. Der entlang [0001] elongierte Kontrast (von [11-20] betrachtet) ist wahrscheinlich spannungsbedingt. HRTEM eines solchen Defekts in Abb. 2(e) mit gequetschtem Bild (f) zeigt Spannungsfeldkontrast um den Defekt.

Typ „B“ Defekte (Abb. 2b) erscheinen als Linien-Defekte senkrecht zu [0001] (von [11-20] betrachtet). Wichtig: solche Defekte akkumulieren in schmaler Region mit höherer Mg-Konzentration (Korrespondenz BF-STEM Abb. 1c und SIMS Abb. 1d) – Bildung assoziiert mit Mg-Überinkorporation. Weitere Beobachtung: pyramidenförmige Domänen an Kanten dieser Linien-Defekte – Akkumulation dieser Domänen könnte zu deren Bildung führen. Zufällige Überlagerung nicht auszuschließen; weitere Untersuchungen nötig. BF-STEM dieser Defekte in Abb. 3(a). Für besseres Verständnis Probenneigung ~10° um Achse senkrecht zu [0001]; BF-STEM in Abb. 3(b). Diese Neigung erregt Beugungsreflexe entlang 1-100 Richtung stark, was Kontrastverstärkung vom Spannungsfeld um den Defekt ergibt. Aus diesem Spannungsfeldkontrast besteht der als Linie erschienene Defekt (Abb. 2a,b) tatsächlich aus einem Paar von Linien, getrennt um wenige nm, tiefer in [0001]-Richtung.

Mg in diesen Defekten möglich, da sie in Region mit Mg >10¹⁹ cm⁻³ auftreten (Korrespondenz STEM Abb. 1c und SIMS Abb. 1d). Zur Validierung: STEM-EDS-Messungen mit EDS-Sondendurchmesser <0,2 nm an zwei Regionen: „weg vom Defekt“ und „am Defekt“ (Punkte 1 und 2, Abb. 4a). Vergleichende EDS-Spektren von Punkten 1 und 2 im Energiebereich 1,19–1,35 keV (Mg-Peak) in Abb. 4(b) mit Inset vollem EDS-Spektrum. Mg klar am Defekt (Punkt 2) sichtbar. STEM-EDS-Mapping an ähnlicher Mg-implantierter GaN-Probe: Abb. 4(c) STEM-Bild mit Pfeilen auf Linien-Defekte, Abb. 4(d) korrespondierende Mg-Karte – Mg klar in diesen Defekten. Daher enthalten diese Defekte Mg; ihre Bildung bei Mg >10¹⁹ cm⁻³ ist wahrscheinlich weitere Ursache für Mg-Kompensation.

Defektanalyse in Mg-dotiertem GaN

Strukturelle Untersuchungen an GaN-Probe mit 1-µm dicker epitaxial gewachsener Mg-dotierter GaN auf 4-µm undotiertem GaN. Mg-Niveau wieder 4 × 10¹⁹ cm⁻³ für sinnvollen Vergleich. Abb. 5(a) BF-STEM von Mg-dotiertem GaN auf freistehendem GaN, betrachtet entlang [11-20]; (b) Mg-Profil vs. GaN-Tiefe per SIMS. Mg-Konzentration bleibt ~4 × 10¹⁹ cm⁻³ im Sichtfeld von Abb. 5(a) (bis 700 nm) fast konstant – im Gegensatz zu Mg-implantiertem GaN, wo Mg-Konzentration tiefeabhängig war (Abb. 1a–d).

Für Defektanalyse in Mg-dotiertem GaN: STEM-Imaging unter Off-Zonenachse (10° Neigung um c-Achse von [11-20]). Abb. 6(a,b) BF-STEM und DF-STEM: punktförmige Defekte ~5 nm, gleichmäßig über Probe verteilt. Mg-Profil auch uniform (Abb. 5b). Gleichmäßige Verteilung von Mg und Defekten suggeriert direkte Korrelation. Diese ~5 nm punktförmigen Defekte sind wahrscheinlich Mg-Niederschläge (und möglicherweise induzierte Stapelstörungen). Aufgrund geringer Größe konnte Mg-Niederschlag nicht direkt per EDS bestätigt werden (Ga- und Mg-Peaks liegen nah beieinander, Mapping kleiner Konzentrationsunterschiede extrem schwierig).

Dies unterscheidet sich完全 von Mg-implantierter Probe: Defekte akkumulierten bei 200 nm Tiefe bei max. Mg-Konzentration. In Mg-dotiertem GaN wurden KEINE pyramidenförmigen und zweilinigen Defekte (A und B in Abb. 2b) beobachtet. Interessanterweise werden pyramidenförmige und Linien-Defekte auch in GaN-Proben berichtet, wo Mg durch andere Techniken als Ionenimplantation eingebaut wird. Khromov et al. [29] berichteten pyramidenförmige Defekte in MOCVD-gewachsenem Mg-dotiertem GaN – nur bei höher dotierten Proben (~5 × 10¹⁹ cm⁻³), nicht bei ~2 × 10¹⁸ cm⁻³. Vennegues et al. [27] beobachteten ähnliche pyramidenförmige Domänen in MOCVD Mg-dotiertem GaN mit Mg im mittleren 10¹⁹ cm⁻³-Bereich, nicht bei <10¹⁹ cm⁻³. In unserer Arbeit: ähnliches Mg-Niveau ~4 × 10¹⁹ cm⁻³ via Ionenimplantation und epitaxiale Dotierung. Defekte NUR in Mg-implantierter Probe, nicht in Mg-dotierter – was Mg-Verteilung als Erklärungsfaktor nahelegt. SIMS: Mg nicht-uniform in implantierter Probe (Abb. 1b,d), uniform in dotierter (Abb. 5b). In implantierter Probe Defekte nur in schmalem Fenster mit höherer Mg-Konzentration vs. Matrix. Daher Defektbildung verknüpft mit Mg-Niveau und -Verteilung – wahrscheinlich in Regionen mit Mg ~10¹⁹ cm⁻³. Nicht-uniformes Mg-Profil in implantierter Probe führt zu nicht-uniformer Defektverteilung. Umgekehrte Kausalität (nicht-uniforme Defekte verursachen nicht-uniformes Mg-Profil) oder Abhängigkeit des Implantationsprofils von Defekten nicht auszuschließen; weitere Untersuchungen nötig. Unsere vergleichende Analyse zeigt: Art und Typ der Defekte hängen stark von der Einbau-Methode ab.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend: STEM-basierte strukturelle Untersuchungen von Defekten in Mg-implantierten und Mg-dotierten Epi-Schichten auf freistehenden GaN-Substraten zeigten, dass Defektnatur stark von Mg-Einbau-Methode abhängt. Mg-implantiertes GaN zeigte pyramidenförmige Domänen Richtung [0001] und zweilinige Defekte mit paarweisen Linien, getrennt um wenige nm tiefer in [0001]. Pyramidenförmige Domänen sind wahrscheinlich Mg₃N₂-basierte Strukturen; Linien-Defekte enthalten Mg (per EDS). Linien-Defekte bei ~200 nm Tiefe in schmaler Region mit Mg ~mittlere 10¹⁹ cm⁻³ – Bildung verknüpft mit implantiertem Mg-Niveau. Diese Defekte bei Mg-Implantation tragen signifikant zu Mg-Selbstkompensationsmechanismen bei, führend zu ineffizienter p-Typ-Dotierung. Im Gegensatz dazu zeigte Mg-dotiertes GaN nur punktförmige Defekte, gleichmäßig über gesamte Probe verteilt. Diese Studie, die Abhängigkeit von Mg-Einbau-Methode und -Konzentration von Defektnatur/-typ hervorhebt, kann nützlich sein für Wahl geeigneter Mg-Menge für hohe p-Typ-Leitfähigkeit in GaN-Materialien für effizienten Bauelementebetrieb.

Abkürzungen

ADF

Annular dark field

BF

Bright field

EDS

Energiedispersive Spektroskopie

MBE

Molekularstrahlepitaxie

MOCVD

Metallorganische Gasphasenepitaxie

SIMS

Sekundärionen-Massenspektrometrie

STEM

Rastertransmissionelektronenmikroskopie