氮化镓材料中的位错对材料物理性能的影响_倪贤锋.pdf

氮化稼材料中的位错对材料物理性能的影响 倪贤锋 等 氮化稼材料 中的位错对材料物理性能 的影 响 倪贤锋 叶 志镇 浙 江 大学硅材料国家重点实验室 杭州 3l 呢7 摘要氮化 稼材料中的位 错是制 约 G aN 发 光器件及电子器件的性能 的 一个关键因素 目前对于氮化稼材料中 的位错的研究是一大热 点扼要综述了位 错 对于材料及器件的物理 性能 的影响 非辐射 复合作用 造 成器件的漏 电流 缩短器件的寿命 并简要介绍了减少 G aN 外延层中的位错 密度 的 几种方 法 关键词 G o N薄膜 位错非辐射复合 中心漏电流 中图分类号 T N 30 4 23 77 十2 文献标识码 A Influ en c eof T hr ead ing D islo e ationson Ph ysic al ProPertie sof G aN E Pilaye rs N lX ia n fe n gY EZhi z he n StateK ey l 一a bo ratory fs一lie on M lte rials Z hoJ一a 一 1红 U 一 1 1 e rs一y H a z gz h o 一 310 027 P R Cllill Ab stra ct H lg h 一den lty threading dislo e tiol 飞 T D a NR re o nl inati ne e nters h ve e on n eo f rho k oy fa eto rslimiring rho into rn a l 一t 一 antt一r nefflele neyofrod i 一t一ve v lc eg I JE I s 于一I th loe rf rm l一le fr ol矛一t 1elee tro niedevi 5 In this trtiele theinfluo nee o fTl o ntho l 11y 一 鉴111 r oportlos fr el石Lte I v一e r 卜rlefly roviewed a w el las o r n e p r o mi sin g to ehnlque sto r edu e e thedens 一ty fT 1 2 IN 一 一l 一yor K eywo rds G aN rll 一n fslm thr e ad in gd islo e otl 位错线方向为巨 1 方向偏1 度 月 纯螺型位错 其伯格斯矢 量为 01习 位错线方向为 lj 绝大 部 分位错为 纯刃型位 错 与混合型位 错纯螺型位错的数量较少 所占的比例仅为 1男 一1 门 卜 图 l所示的 是一张典型的5 m 厚 的 利 用二步生长 法生长的 G N 外延 层的横截而电镜显微照片 在外延薄膜与衬 底 的 交 界处为缓冲层 缺陷密度较大 此处的缺陷包括反结构缺 陷 不全位错 线性 位错 层 错等 随 着薄膜 的生长一般只有 线性位错才会从缓冲层向外延层 扩展 图1蓝宝石 村 底上用MO CV D方法 生长的 G aN 薄膜的典型微结构一 3 国 家重大基础研究项目基金资助 N o G ZO00 0683 一0 6 10 材料导报 2003年1 1 月第 1 7 卷 第 1 1 期 2位错对发光性能的影 响 在传统 的发 光器件中 高的位错密度将会使发光器件的 发 光效率大 大下降 如 基于 A l n P AIG aAS 材料的L ED中要求 材料的位错密度小于 l cn 竺 但在 氮化稼 中 高的位错密度与 较高的发光的外量 子效率 似乎不是矛盾的 这 从 而促 使学 者们 思考这样的问题 位错在G aH 中是不 是非辐射复合 中心 它 对 器件的发 光性能是否有害 答案是肯定的有越来越多 的文献表 明 G N 中的 位错是非辐射复合中心 米尺度 的 晶须 而 这些 晶 须 所 在 处 位 错 密 度 较高也就是 说 G aN 内 的线性 位 错阻止了 G N 的腐蚀 c Yo L I e y等把这 种现 象归结于 由于位 错具有电活性 是非辐射复合中心 从而消耗 了由于光 照 所产生 的过剩 载流子 而材料阳极电化学腐蚀 需 要 一定 浓度的 空 穴参与 所以 位错密度较高的区域不易被腐蚀 从 而 形成晶 须状的 表面 这 也证实了位错的非辐射复 合作用 同 时 由于每一个 晶须都包含 一个或 几 个 位错 所以通过扫描电镜 就可以快速 地 有 效 地评价材料 的位错密 度川 图2 G a N 薄膜的 366 n m 波长的阴极射线发 光谱图 图中较暗的区域对应着位 错密度较高的区域困 早期的 研究表明位错 在G aN 中并不是载流 子 的 非 辐射复 合中心匡 然而近 几年来的一 些文献表明位错确实是非辐射复 合中心 且会减小 LE D 的光输出 功率 在 1 997 年 Ro sn e r困 等 使用透射电镜 T EM 原子力显 微镜 A FM 阴极射线发光谱 C athodo r um in e seen e e CI J 手 段 发现 G aN 表面 的孔洞对应 着膜内的位错 是位错在薄膜表面 的露头 在研究中 他们 发现 阴极射线发光谱图中较暗 的区域 如图 2所示 对 应着A FM 图 中所观察到 的膜 表面的孔洞 而这些孔洞所在区域的位错 密度 较高 通过简单的理论模型分析表明 由 于位错是有效的非辐射 复合中心 在位错密集区域 少数载流 子由于非辐射 复合而大量 减少 从而导致CL图上发光强度的 不均匀性 在此之后 Sug aha r a 2 等 对用M evD方 法生长 的 N 型 G aN 的研 究 证实了R o s n e 等的观 点 在S u g ahara 的研究中 G aN 样品先后进行了C I J 与T EM分析 他们发现 在T EM的照 片中所观察到的位错与在C I图中 的较暗的斑点之间存在着一 一对 应 的关系 也就是说 由于位错的存在 位错附近 的过剩分 子被大量 的非辐射复合掉了 此 后 的 一些文献 2 0一2 2 也证实 了这样一个观点 即氮化稼材料 中线性位错对 于非平衡 载流子 具有非辐射复合作用 除了以上采用CL与T EM A FM 相结合 来研究位错的方 法外 有 的学者则采用光增强湿法腐蚀 Pho t 一en h an c e d w t etehin g 或ph otoe l e etroehem ieal pEC 来研究位错 与 T EM 方 法 观 测位错相比 此种方法由于不用像 T EM 那样 制备所谓的 电子透明 的样品 所以此方法较为简便 关于光增强湿法腐蚀 的详细资料 可参看相 关资料川 总 的来说 在PE C方法 中 照 在样品上 的光将在样品表面激发 出过剩载流子 这些载流子弱 化了材料表面的化学键 从而促进了样品的腐蚀 c Yo uts ey 8 j 等发 现 在某种特定的条件下 G aN 材料会被选 择 性地腐蚀掉 位错线之 间的无位错区域较易被腐蚀 从 而在 材料表面形成纳 3矛盾 的解释 G a N 材 料 的高的位错密 度与器件相 对较高的发 光效率是 一对 很难解释的 矛盾 在上一 节 中我们讨论了位错的 非 辐射复 合作用 确定位错对于器件的 发光性能 是有害的 但相 关 器件的 发光效率却比较高 有 很多学者给出了相 应 的解 释 具有代表性 的解释有两种 一 种 观点 3 认 为只要 载流 子 的扩 散长 度 小于位错线之 间 的 间隙 发 光效率就不会因 为 位错 的存在而 减 小图 3所示 的 是在 各种载流子扩散长度的条件下 过剩 载流子 与位错密度的 关 系 从图上 可 以看出 扩散长度越短 过剩载流子 对位错密度越不敏 感 如 对于 L刀 在 50 nm 左 右 只要位错密度小于 1护 c m 一 器 件的 发 光效率依然较高 典型 的 知N 材料中 的载流 子 的扩 散长 度 I d 比较小 有文献报道为5 0 nm 口 所以 G aN 相关器件对 材 料中高的位错密度是 不敏 感的 而 在常规 的光电 材料 如A l G aAS 中 由于载流子较 大的扩 散长 度及位错容易滑移等因素 的影响 器件较高的 发 光效率往 往 要求材 料有很低 的位错密度 1o l c m 一之大 Diffu sio n Length 口 祠 u uo 口 工 门 口乡公 月芝鸽 绒 闰 Dislo c atio nl ensity c m 图 3过 剩载流 子 浓 度 与 位错密 度 及 扩散长度的关系叹 第二种 观点巨 j则 认 为虽 然氮化稼 中位错 密度较高 但只有 那些具有螺型位错 分量的位错 即纯螺型位错与混合型位错 才 是非辐射复合中心 T H i n 等发现在 G aN 材料的位错 中 绝大 部分 约为9 2 的位错为纯刃型位错 他们采用 HC I 气 相腐蚀 的方法腐蚀 为N 材料 不同类型的位错具有不同种 类的腐蚀 坑 他们发 现P L谱的 发 光 峰强度 随着螺型位错和混合型位错 的密度 的增加 而减弱 而不随纯刃型位错的密度的变化而 变化 从 而 T H na 等认为只有具有螺型位错分量 的位 错 即纯螺型 位错与混合型位错 才会对载流子有非辐射复合的作用 而占位 错绝大部分的纯刃型位错则对 G aN 基材料的 发光性 能无 影响 这也在一定 程 度上解释了上 面 所提出 的矛盾但是 最近 的一 些 研究山 一二 之 却表明这个观点存在一 定 的局限 性 即部分的纯刃型 氮化稼材料 中的位错对材料物理性能的影响 倪贤锋等 位错对非平衡 少数载 流子实际上 也会有一定的非辐射复合作 用 当然 位错的非辐射复合作用 主要还是 由具有螺型位错分量 的位错 即 混合型位错与纯螺型位错 所引起的 2 3 条 件下户 6 这在某种程度上也说明 了高的位错 密度 会显著的 降低氮化稼激光器的寿命 日 之 丫蕊 曰 1 0 u1 0 2 1 0 1 0 3 4位错对载流子的散射作用 由半导体物理可知 由于电离杂质散射的作用 载流 子的迁 移率会随着掺杂浓度的增加而变小 但在G aN 材 料中却不是 这 样 载流子迁移率随着掺杂浓度的增加先增加后减小 l a 这 种 现象与材料中的高位错密度有关 位 错会在 G aN 材 料的能 带 带隙中 引 入 深 能级 A F wr ig h户 等人通 过计 算证明 了这一点 位 错将 会在 禁 带 中引人 深能级 并且在N型G aN 中 位错是电子陷阱 带有负 电荷 由于位 错在材料中的带电性质 其必然会对 载流子产生散 射 作用 正是 由于位 错对 载流子 的这 种散 射 作用 才导致了 G a N较低 的横 向迁 移率以及迁移率随掺 杂浓度 变化的不单调 性 N G We ima n n川 等提出了相应的理论模型 在 G aN 材料 中 载流子的迁移率由下式子决定 T em p e rature C 一 一 s o 一 1 X 一 一 1印 一 2 X 25 0 阅 口 巴 口 币书 1 01 0 L E GaN 一压 s 一 o c ated G aN v 之 一5 0 图 4 一 一入 气 衬 之 3 1 一40一30一20一1 0 0 VO l ta州V 由不同位错密度的G aN 材 料 制成的PN结的 I一V 特 性曲线 14 名9五U扮U 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 工 一上 上 上 召土 陶 产 产la t 式 中的内 s 片 脚a t t 分别是位错散射 电离杂质散射 晶格散 射对 载流子迁移率的影 响 当掺杂浓度较小时 位错的散射机制将会 占据主 导作用 此时 的电子迁移率 l 3 为 so v厂泛 芬 2己2 走 T 号 产的l一 一 N 尸厂凡丫 m 式 中 弋一 犁 e 一11 n 为载流子 浓度 入 d 为 德拜屏蔽长度 De by e S cre e n ingL egnt h N d 为位错密度 由上两式可见 载流子迁移 率将 随着载流 子浓度 的增 加而增加 这是 由于载流子对位错的 屏蔽作用使位错对 载流子的散射作用逐渐减弱 在 高掺杂区 由 于电离 杂质散射作用将逐渐占据主 导地位 迁移率将随着 裁流 子 浓度 的增加而减小 H M Ng l 3习等的实验结果证实了该模型 的正确性 5位错 造成器件的漏电流以及寿命的缩短 由于横向外延过生长技术 ELOG 的发展 G aN 材料的位 错密度可以从 105 10 m一 降至 104一lo6em 一 这也使我们有 机会利用不同的位错密度的材料之间的对比来研究位错对器件 性能 的影响 P Ko z odoy l 等利用 PN 结的特性进行了这方面 的对比 研究了位错对PN结的漏电流的影响 他们分别在过生 长的G aN 上以及过生 长模板的 开口处形成的两种PN结 并做 了反 向I一V特性的测试分析 测试结果如图 4所示 在过生长 的G aN 上形 成的 PN 结 由于具有较小的位错密度 T D密度 l护cm 一 漏电流比在开 口处 形成的P N 结 TD密 度 约 为 xo e m 一 2 要小s 4 个数量级 同时 Pa rish 5 等也利用过生长 技术生长的G aN 作了基于 AIG aN 材料的P 一i一N 型紫外 光探测 器 其漏电流也比利用具有高位错密度的G aN 材料制作的紫外 光探测器 小 6 8 个数量级 从而 可以认为高密度的位错的存在 导致了较大 的漏电流 的产生 此外 随着外延 过生长技术的发 展 5 N akam u r a 利用该技术生长 了低位错密度 的G aN 基材料 并 在此基础上制 作了蓝色激 光二极管 B lu e La s er D io d es 使 激光器的寿命从原来的3 5h 室温条 件下 提高到 l0 000 h 室温 6位错的减少 几乎所有的G aN 材料都生长在异质衬底上 所以外延层中 的位错的产生是不可避免的 由于位错对于材料及其相关器件 的不 良影响 如何减 小G aN 外延层 中的位错密度是一个相当重 要而且活跃的研究领域 减小位错密度的手段主要包括横向外 延过生长技术 Epit ax ialL ater al Ov e rgrowth ELO G 及悬空外 延过生长技术 p en d eo一Epitax alOv ergr owth PEO G 横 向外延过生长技术是一种非常有前景的用来生长准无缺 陷单晶薄膜的方法 1 99 7年Da vi s 等首次采用横 向外延过生长 的方法在蓝宝石上获得了准无缺 陷的G aN 材料 使面缺陷密度 由 IOlocm 一2 降低到 lo6 cm 一 2 大大提 高了G aN 薄膜材料的质 量田 但这一方法的工艺过程比常规的二步生长方法要复杂 具体的工艺过程可参看相关的文献孙 2 25二 这一方法需在G aN 模板上淀积一层5 10 层或S I N 层 这一层的引人往往会在外延 层中引人杂质 造成G aN 薄膜的本征载流子浓度的增加 l 8 而 且 由于AIG aN 材料会在5 10 层或S I N 层上成核 横向外延过 生长技术不能用来进行A IG aN 材料的选择性生长 悬空外延过 生长技术则克服了这一 不 足 不用在G aN 模板上引人一层5 10 2 层或S IN层 而且使用悬空外延过生长技术可进行A IG aN 材料 的选择性生长仁 9 26 了总结 本文综述了采用 TEM PEC 腐蚀 C L 等方法对位 错所进 行的研究 各种手段 的研究结果都表明氮化稼材料中的位错是 非辐射复合中心 对载流子的传输 器件的发光性能是有害的 并且会造成电子器件较大的漏 电流以及激光二极管寿命的缩 短 并简要论述了几种有代表性的降低位错密度 的技术 参考文献 N a kam ur a 5 The role s of str uetu r al imPe rfe e tions in In G an 一base dblu e light 一e mittingdiode san d lase r diod e s Seie n e e 199 8 281 0956 S ugaha r a T S a toH H a o M e t al D i re et eviden e e that D is l o e atio nsa r e n on 一r ad iativ e r e e om bin a tio n e ente r s in 1 2 材料导报 2 0 0 3 年 1 1 月第 1 7 卷 第 11 期 G a N Jp n JApPI Phys 1998 37 39 8 3Sp eek JS R osn e r SJ The ro l eo f thre ading di sloeations in thephysie alProPe rtie sof GaN a nd its allo ys PhysB 19 99 274 24 4 W u XH Br own LM K apoln ek D et al D efe etstruetu r eo f m etal一orga n ie ehem ieal v apo r dep o sitio n 一gro w nepitaxial 0 001 G aN Al oO3 JA pplPhys 1996 80 3228 5L ester S S Pone e FA Cr afo rd MG et al High di slo eatio n de nsitie s in high effieieney G aN 一base dlight 一e mitting di o de s APplPhy s I Jett 1995 66 12 49 6 R osner SJ C a rr EC I Ju d ow ise MJ etal C o r relationo f eatho dol u min e se e nee inhom o ge n eity w ith mi e r o str u etu r al defeets in epitax ialG aN g r o w n bym etalorgan ie ehem ie al v apor depo sitio n ApplPhysL ett 1 99 7 70 420 7Yo utsey C A de sid a l B u lm an G Highly anisotroPie pho toe nhan e ed w etetehin g o f n 一type G aN ApplPhys Lett 19 97 71 2151 8 Yo utsey C R o m an o LT Ade sida l G al liu m nitride whisker sfo rmed bys ele etiv e photo enhaneed w etetehingof disl oeations APPIPhy s Lett 1998 73 797 9 Y outs ey C R o m an o LT M oln ar R J et al R aPide va l ua tio n o fdi slo e atio n d ensities in n 一type G aN film su sing pho to enha n eed wet etehing APplPhsyL ett 19 99 74 3537 10H in o T T o m iyaS Miy aiima T eta l C h ara eteriz atio nof thr e ading dislo e atio ns inG aNepitax ial laye r s Ap plPhys L ett 20 0 0 76 3421 11 W right AF G rossner U The effe eto fd opin g an dg rowth stoiehiometryon the e or estruetu r eo f a threading edge dis l o eatio n inG a N ApplPhysL ett 1 99 8 7 3 2751 12 W eimann N G E astman LF D oPPalaPu diD et al S eatterin g o f eleetro nsat th r e ading disl oea t io ns in G aN JAPPI Phy s 1 998 83 3656 13 Ng H M D o pp ala ud i D M ou sta ka s TD et al The ro l eof disl oeatio ns e attering in n 一type G aN film s Appl Phy s Lett 1998 73 821 14 K ozodoy P Ib betso n JP M ar ehan dH et al El e etrieale ha r a ete rizatio n ofGaN p 一n j un etions w ith and w itho ut thr e ad ingdisl o eatio ns Ap plPhy s Lett 19 98 73 9 75 15Pa rish G K elle r S K ozo doy P etal High 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451 20 Miy ajima T Hin oT T o miyaS et al Thr e adingdislo e atio ns a n d o ptie alProp ertie sof GaNan d G aln N PhysStatu s 5 0 11 diB 一Bas ieR e s 20 01 228 3 95 21 Che rn s D H en l ey SJ Po ne e F A Edg ean d se r ew dislo ea tions asnonra diativ eC ente rS inInG aN G aN q uantu m w ell lumin e seenee Ap plPhysL亡tt 20 01 78 26 91 22 Che rn s D The strueturean d opto ele etro n iepr oPertie so f dislo e ations in G aN JPhysC on d es M atte r 20 0 0 1