Wpływ dyslokacji przechodzących na dyfuzję domieszek donorowych i akceptorowych w azotku galu

Urządzenia energoelektroniczne o strukturze pionowej oparte na azotku galu (GaN) są obiecującymi kandydatami dla przyszłej energoelektroniki klasy kilowoltowej (kV) ze względu na szeroką przerwę energetyczną GaN i wysokie krytyczne pole elektryczne. Liczne badania wykazały wysoką wydajność pionowych diod i tranzystorów mocy z GaN, które charakteryzują się imponującymi napięciami przebicia i niskimi opornościami właściwymi w stanie włączenia, zbliżającymi się do teoretycznych granic materiałowych. Jednakże, wytwarzanie takich urządzeń stwarza poważne wyzwania, szczególnie ze względu na nieefektywność technologii selektywnego domieszkowania typu p (dziury) i typu n (elektrony). Jednym z obiecujących podejść jest implantacja jonów donorów i akceptorów do GaN, technika dobrze ugruntowana w przemyśle krzemu i węgliku krzemu, ale wciąż rozwijana dla GaN. Tworzenie dobrze zdefiniowanych obszarów typu n i p w GaN za pomocą implantacji jonów pozostaje główną przeszkodą. Wyżarzanie pod ultra-wysokim ciśnieniem oferuje rozwiązanie, umożliwiając tworzenie GaN typu n i p o właściwościach porównywalnych z epitaksjalnym GaN domieszkowanym odpowiednimi donorami lub akceptorami. Z powodzeniem zademonstrowano pionową diodę Schottky'ego z barierą złącza GaN, łączącą implantację jonów i wyżarzanie pod ultra-wysokim ciśnieniem. Kluczowym wyzwaniem w implantacji jonów w GaN jest kontrolowanie dyfuzji wszczepionych pierwiastków, które mogą wnikać głęboko w materiał. Współczynnik dyfuzji zależy od czynników takich jak jakość strukturalna, w tym stężenie defektów punktowych i liniowych, orientacja krystalograficzna i położenie poziomu Fermiego. Niniejszy projekt koncentruje się na analizie, w jaki sposób jakość strukturalna, reprezentowana przez gęstość dyslokacji nitkowatych (threading dislocation density), wpływa na dyfuzję wszczepionych donorów i akceptorów w GaN. Urządzenia na bazie GaN mogą być wytwarzane na podłożach natywnych lub obcych, z których każde wykazuje różną jakość strukturalną i gęstość dyslokacji nitkowatych. Na przykład: Natywne podłoża amonotermalne: Wysoka jakość strukturalna o gęstości dyslokacji nitkowatych 10³–10⁵ cm⁻². GaN krystalizowany na szafirze przy użyciu epitaksji z fazy gazowej halogenków: Jakość pośrednia o gęstościach 10⁶–10⁷ cm⁻². Szafir z cienkimi warstwami GaN przy użyciu epitaksji z fazy gazowej związków metaloorganicznych: Niższa jakość o gęstościach 10⁸–10⁹ cm⁻². GaN na krzemie (GaN-on-silicon): Najniższa jakość o gęstości dyslokacji nitkowatych przekraczającej 10⁹ cm⁻². Poprzez wzrost kilkumikrometrowych, niezamierzenie domieszkowanych warstw GaN na tych podłożach, uzyskamy cztery odrębne struktury podłoża typu GaN-na-X o różnej gęstości dyslokacji nitkowatych. Struktury te zostaną zaimplantowane podstawowymi akceptorami (magnez, beryl) i donorami (krzem, german) oraz wyżarzone w warunkach ultra-wysokiego ciśnienia w różnych temperaturach, przy jednoczesnym utrzymaniu stałego ciśnienia azotu i czasu. Poprzez analizę profilów dyfuzji za pomocą metody elementów skończonych, dążymy do określenia współczynników dyfuzji i energii aktywacji jako funkcji gęstości dyslokacji nitkowatych. Uzupełniająca charakterystyka fizyczna zaimplantowanego GaN (za pomocą technik takich jak mikroskopia sił atomowych, dyfrakcja rentgenowska, wtórna spektrometria mas jonów, fotoluminescencja, spektroskopia Ramana, pomiary efektu Halla, spektroskopia anihilacji pozytonów i mikroskopia elektronowa) umożliwi nam w przyszłości projektowanie i wytwarzanie zoptymalizowanych urządzeń, takich jak diody Schottky'ego z barierą złącza i tranzystory polowe typu metal-izolator-półprzewodnik (metal-insulator-semiconductor field-effect transistors), wykorzystujących implantację jonów.