사파이어에서 성장한 에피택셜 n형 도핑 GaN 층의 적외선 반사율 분석

결과 및 토론

SEM 이미지(그림 2)는 n ⁺ 의 포토 에칭된 단면을 보여줍니다. /n₀ /n ⁺ - GaN 버퍼/GaN 템플릿/사파이어 기판에서 성장한 GaN 구조로, 6개의 개별 레이어가 명확하게 표시되며, 이는 캐리어 농도가 다른 5개의 GaN 레이어와 사파이어 기판입니다. SEM으로 측정한 조사된 GaN 구조의 전체 두께는 기술적인 것과 일치하며, 그림 1에 따라 관찰된 GaN 층은 잠정적으로 공칭 상단 Si-도핑된 n ^{+에 기인할 수 있습니다.> 영역(레이어 1), 도핑되지 않은 n₀ 영역(레이어 2), 하단 Si 도핑된 n + 영역(레이어 3), 도핑되지 않은 GaN 버퍼(레이어 4) 및 GaN 템플릿.}

조사된 n ⁺ 단면의 SEM 이미지 /n₀ /n ⁺ -GaN 구조. 수직선의 불규칙한 패턴은 쪼개짐 동안(즉, 포토 에칭 전) 형성되었으며 Al₂의 연마되지 않은 쪼개짐에 대한 특징입니다. O₃ /GaN 이종 구조. 거친 피라미드 층(핀홀 ) 화살표로 표시된 사파이어/GaN 템플릿 사진 에칭으로 밝혀짐

또한, 조사된 샘플의 불순물/도핑 수준에 대한 더 깊은 통찰력을 얻기 위해 SIMS 측정을 수행했습니다. 얻어진 SIMS 프로파일(그림 3)은 GaN 층의 공칭 두께 및 연구된 다층 구조의 전체 두께와 좋은 상관 관계를 나타냅니다. 검사된 모든 원소(H, C, O, Si)가 검출 한계(3 ~ 5 × 10 ¹⁶ at/cm ³ ) SIMS 기술.

조사된 n ⁺ 의 불순물 원소 프로파일 /n₀ /n ⁺ -샘플 표면에서 SIMS로 측정한 GaN 구조

의도적인 Si 도핑 프로파일은 일반적으로 약 2.8 × 10 ¹⁹ 농도의 명목 도핑 프로파일과 일치합니다. cm ⁻³ 도핑된 상단 및 하단 n ⁺ 지역 및 약 2.3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ 도핑되지 않은 n₀에서 지역. 그러나 SIMS 데이터에서 볼 수 있듯이 Si 농도가 1.1 × 10 ¹⁹ 인 얇은(<50 nm)-델타 층이 있습니다. cm ⁻³ GaN 버퍼와 GaN 템플릿 사이. Si 도핑된 델타 층에는 2.4 × 10 ¹⁹ 의 의도하지 않은 산소 및 탄소 불순물 농도가 더 높습니다. cm ⁻³ 및 1.4 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , 해당. 이 델타 층은 호모에피택시 재성장 인터페이스와 관련이 있으며, 이는 일반적으로 로딩의 기술적 프로세스 또는 재성장 시작 시 대기로부터 흡수된 O, Si 및 C 불순물로 인한 GaN 템플릿 오염으로 인해 발생합니다[25, 26].

위에서 논의한 바와 같이, SEM 단면 및 SIMS 분석은 추가 GaN 영역의 여기에 의해 공칭 매개변수와 다르지만 전체 두께가 공칭 영역과 일치하는 GaN 층의 구조를 제공합니다. 조사된 구조의 IR 반사 스펙트럼에 위에서 발견된 추가 GaN 델타 레이어의 영향을 명확히 하기 위해 공칭 기술 매개변수에 해당하는 6개의 레이어로 구성된 모델을 구성하여 실험 스펙트럼의 시뮬레이션을 수행했습니다. SEM 이미지( 그림 1), SIMS에 따른 7개의 레이어. 위에서 설명한 모델을 기반으로 계산된 스펙트럼은 그림 4에 나와 있습니다.

레이어 수가 다른 IR 반사 스펙트럼의 시뮬레이션. 조사된 n ⁺ 의 실험 스펙트럼 /n₀ /n ⁺ -GaN 구조는 실선으로 표시됩니다. . 아 Reststrahlen 지역. ㄴ 750cm 이상의 범위에서 확대된 스펙트럼 ⁻¹

그림 4에서 볼 수 있듯이 SIMS 프로파일을 기반으로 하는 7층 모델은 실험적 IR 반사 스펙트럼의 최상의 근사치를 제공합니다. 따라서 공칭 기술 모델(그림 1)과 비교하여 수정된 매개변수를 가진 이 모델을 사용하여 추가 시뮬레이션 및 분석이 수행되며, 기술 GaN 버퍼 레이어와 GaN 템플릿 사이의 추가 레이어를 설명합니다(그림 5).

조사된 n ⁺ 의 IR 반사 스펙트럼을 시뮬레이션하는 데 사용되는 7계층 모델 /n₀ /n ⁺ -GaN 구조. 추가 레이어(녹색 ) GaN 템플릿과 조사된 GaN 레이어 사이의 얇은 인터페이스 레이어입니다.

그림 6은 실험 및 적합 이론 s를 보여줍니다. -11° 입사각에서 조사된 구조의 편광 반사 스펙트럼. 계산된 스펙트럼은 위에서 설명한 모델을 기반으로 합니다(그림 5). GaN 층과 사파이어 기판에 대한 복합 굴절률의 분산은 Eq. (5). 사파이어 기판은 반무한으로 간주되어 기판 내부와 연마되지 않은 후면에서 내부 반사를 무시할 수 있습니다. 스펙트럼의 나머지 영역에서 관찰되는 복잡한 구조는 GaN과 Al₂의 중첩 조합으로 인한 것입니다. O₃ 간섭 효과와 함께 reststrahlen 밴드. 이러한 데이터를 계산된 스펙트럼과 비교하면 샘플의 다양한 층에 대한 두께 정보를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 재료의 기여 측면에서 reststrahlen 영역의 복잡한 구조를 해석하는 데 도움이 될 수 있습니다.

실험적(실선 ) 및 가장 잘 맞는 계산(점선) ) n ⁺ 의 IR 반사 스펙트럼 /n₀ /n ⁺ -GaN-템플릿/Al₂에서 성장한 GaN 구조 O₃ . 아 Reststrahlen 지역. ㄴ 간섭 영역

반사율 데이터를 계산된 스펙트럼과 비교하여 층 두께를 결정하는 것은 2단계 프로세스[27]입니다. 첫째, reststrahlen bands 위의 투명 영역에 있는 프린지(ω> 1200 cm ⁻¹ ) 다층 구조의 레이어에 대한 간섭 효과 때문입니다. 이러한 방식으로 모든 레이어의 합계인 조사된 구조의 전체 두께를 추정할 수 있습니다.

스택 두께가 알려지면 계산된 스펙트럼을 스펙트럼의 나머지 영역의 간섭 효과에 맞춰 각 레이어의 개별 두께를 결정할 수 있습니다. 층 두께는 이전에 결정된 전체 두께를 고려하여 변경되었습니다. 이 제약 조건에서 반사율은 1200cm ⁻¹ 이상입니다. 크게 변하지 않습니다. reststrahlen 영역의 간섭 효과는 층 두께가 변화함에 따라 간섭 무늬의 위치가 이동한다는 사실을 기반으로 TO 및 LO 진동 모드와 같은 다른 기능과 구별될 수 있습니다[28].

reststrahlen 영역에서 실험 스펙트럼을 근사하는 동안 다음 모델 매개변수가 변경되었습니다. 댐핑 매개변수 γ_LO 및 γ_TO E용 ₁ (LO) 및 E ₁ (TO) 포논 모드; 플라즈마 주파수 ω _p ; 플라즈몬 감쇠 매개변수 γ _p ; 및 레이어 두께. E만 ₁ 대칭 포논은 s에서 IR 활성입니다. -편극 [9]. E의 초기 주파수 ₁ (LO) 및 E ₁ GaN 및 사파이어 기판에 대한 (TO) 포논은 IR 반사율[29] 및 라만 산란[6, 14] 실험에서 가져왔습니다. GaN 포논 주파수의 일반적인 값은 ω_TO입니다. =560cm ⁻¹ 및 ω_LO =740cm ⁻¹ . 각 레이어의 포논 주파수는 피팅 과정에서 개선되었습니다. 오차 막대를 사용하여 얻은 최적의 매개변수는 표 1에 나와 있습니다. 피팅 프로세스에서 얻은 레이어 두께는 SEM 데이터와 잘 일치한다는 점에 유의해야 합니다.

도 6a를 참조하면, ~450 cm ^-1 에서 반사율 피크 사파이어 기질에 기인할 수 있습니다. 500–740 cm ⁻¹ 범위에서 관찰된 특징 이는 GaN 레이어와 사파이어 레스트스트랄렌 밴드의 겹치는 기능의 조합 때문입니다. 더 깊은 분석을 위해 조사된 구조의 전체 두께에 해당하는 GaN의 두께와 함께 벌크 GaN 및 6.78μm 두께의 GaN 층의 IR 반사 스펙트럼을 나머지 슈트라렌 대역 영역에서 시뮬레이션했습니다(그림 7). . 그림 7에서 볼 수 있듯이 500–740 cm 범위에서 사파이어 및 벌크 GaN의 6.78 두께 GaN 층의 반사 스펙트럼 실험 스펙트럼과 유사하다. ~511cm ⁻¹ 의 작은 특징 사파이어 기질과 관련이 있습니다. ~736cm ⁻¹ 에서 , A에 해당하는 약한 딥이 있습니다. ₁ (LO) GaN 템플릿의 모드. 선택 규칙에 따르면 A ₁ (LO) 모드는 s에서 금지됩니다. -편광된 IR 스펙트럼 [9]. 이 금지된 모드의 등록에 대한 가능한 이유는 GaN 결정 구조의 미세 불균일성 뿐만 아니라 반사 액세서리의 구멍으로 인한 편광 누출일 수 있습니다. 특히 이것은 c의 기울기로 인해 발생할 수 있습니다. -막의 성장면에 수직인 방향에서 GaN의 기둥형 wurtzite 구조의 축. 이 모드는 결과 스펙트럼에 미치는 영향이 약하기 때문에 모델링에서 고려되지 않았습니다. 750–1200cm ⁻¹ 범위의 기능 겹치는 GaN:Si 및 사파이어 reststrahlen 밴드와 인터페이스 효과 때문입니다. ~775cm ⁻¹ 에서의 낙하 GaN 층과 사파이어의 나머지 띠 가장자리에 대한 계면 효과와 관련이 있습니다. ~825cm의 넓은 딥 ⁻¹ 플라즈몬-LO-포논 결합 모드(LPP ⁺ ) n ⁺ 레이어.

실험적(실선 ) 조사된 n ⁺ 의 IR 반사 스펙트럼 /n₀ /n ⁺ - GaN 구조 및 사파이어 상의 6.78μm 두께 GaN 층의 계산된 반사 스펙트럼(점선 ) 및 벌크 GaN(대시선 )

그림 8은 E의 추정을 위해 표 1에 주어진 발진기 매개변수에 따라 각 계층에 대한 에너지 손실 함수의 계산된 허수부를 보여줍니다. ₁ -LOPC 모드. 보시다시피, LOPC 모드의 고주파수 분기(LPP ⁺ ) 10 ¹⁷ 미만의 운반체 농도에서 cm ⁻³ (n₀ 레이어 및 템플릿)이 E와 거의 일치합니다. ₁ (LO) 포논 모드. 2 × 10 ¹⁷ 범위에서 캐리어 농도 증가 –3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ (그림 5) 상당한 고주파 이동 및 LPP ⁺ 확장 분기는 LO 포논과 플라즈몬 간의 상호 작용이 증가하고 전하 캐리어의 이동성이 감소함을 나타냅니다. LPP ⁺ 의 이 동작 분기는 Z.F.에 의해 사파이어에서 성장된 Si 도핑된 GaN 필름의 IR 반사율에 대한 실험 데이터와 잘 일치합니다. Li et al. [30], 벌크 GaN [10] 및 에피택셜 층의 라만 측정 [31]. 저주파 LPP ⁻ LOPC의 분기는 s와 같이 우리의 경우 안정적으로 정의될 수 없습니다. -편광 IR 반사 스펙트럼은 300cm ⁻¹ 미만의 저주파 범위에서 측정되지 않았습니다. .

최적 데이터 분석에서 분석된 각 GaN 층에 대해 얻은 유전 함수의 계산된 허수 부분

표 2에 나열된 캐리어 농도 및 이동도 값은 Eqs를 사용하여 계산되었습니다. (8) 및 (9) 전자 유효 질량 m* 0.2m₀ [32]. 계산된 캐리어 농도 프로파일은 SIMS 측정으로 얻은 Si 불순물 농도 프로파일과 유사하지만(그림 3), 농도 Si 불순물에 비해 훨씬 낮은 캐리어 농도를 나타냄을 알 수 있습니다. 캐리어 및 불순물 도핑 농도의 이러한 불일치는 M. Bockowski et al.에 의해 더 일찍 관찰되었습니다. [33], n-형 도핑이 증가함에 따라 형성 에너지가 낮아지는 수용체 상태(아마도 갈륨 결손에 의한)에 의한 보상 효과와 관련이 있습니다. n ⁺ 에 대한 캐리어 농도를 언급해야 합니다. ~10 ¹⁸ 순서의 레이어 cm ⁻³ LOPC 모드 분석을 기반으로 한 유사한 GaN 구조에 대한 라만 연구 결과와 잘 일치합니다[6]. 캐리어 농도에 따른 캐리어 이동도 μ의 감소는 GaN의 홀 실험[35] 및 이론적 모델링[36]과도 잘 일치합니다.

고주파 유전율 ε_∞의 값 4.99–5.35 범위에 있는 것으로 나타났습니다(표 1). ε_∞의 증가 도핑된 n ⁺ n₀과 비교한 레이어 층은 α-GaN 밴드 갭의 적색 편이와 관련될 수 있다[37]. ε_∞의 값은 낮은 전도성 필름에 대해서만 비교적 작은 오차로 결정할 수 있습니다. ε_∞ 결정의 정확도 ε_∞ 매개변수는 유전체 모델 함수가 여기에서 연구된 것보다 더 짧은 파수로 외삽될 때 "고주파" 한계를 설명합니다[11]. 300–4000cm ⁻¹ 의 넓은 스펙트럼 범위 ε_∞ 결정의 오차를 줄이기 위해 분석하였다. 및 n ⁺ 의 IR 반사 스펙트럼 모델링과 관련된 기타 매개변수 레이어.