Инфракрасно-рефлексионный анализ Si-легированных эпитаксиальных слоев GaN, выросших на сапфировых подложках

Аннотация

Инфракрасная (ИК) рефлексионная спектроскопия применяется для изучения Si-легированной многослойной n⁺/n₀/n⁺-GaN структуры, выросшей на GaN буфере с GaN-шаблоном/сапфировой подложкой. Анализ исследуемой структуры методами фототравления, SEM и SIMS показал существование дополнительного слоя с резкой разницей в уровнях легирования Si и O, расположенного между эпитаксиальным GaN буфером и шаблоном. Моделирование экспериментальных спектров отражательности выполнялось в широком частотном диапазоне. Показано, что моделирование ИК спектра отражательности с использованием метода матрицы переноса 2 × 2 и включение в анализ дополнительного слоя позволяют получить лучшую аппроксимацию экспериментального спектра, что ведет к оценке толщин слоев GaN, которые в хорошем согласии с данными SEM и SIMS. Спектральная зависимость плазмон-LO-фононных связанных мод для каждого GaN слоя получена из спектральной зависимости диэлектрической проницаемости примеси Si легирования, что атрибутируется эффектам компенсации акцепторными состояниями.

Введение

В последние годы высокий интерес к III-нитридным материалам, в частности к GaN [1, 2]. Благодаря прорыву в технологиях роста, эпитаксиальные GaN пленки нашли широкое применение в оптоэлектронных устройствах, таких как синие и УФ светодиоды (СД) [3], лазеры [4] и микроэлектронные устройства, например, высокомощные и высокочастотные полевые транзисторы [5, 6]. Концентрация и подвижность свободных носителей — ключевые параметры, определяющие производительность устройства в приложениях. Холловское измерение концентрации и подвижности свободных носителей в многослойных GaN-базированных устройственных структурах нетривиально и трудоемко технологическая задача, требующая омических контактов, прикрепленных к каждому измеряемому слою, и специальных измерительных процедур.

Фурье-преобразованная инфракрасная (ИК) рефлексионная спектроскопия и Рамановская спектроскопия — бесконтактные и неразрушающие методы, позволяющие изучать не только фононные вибрации, но и характеризовать носительные свойства [7]. Однако известная проблема конфокальной микро-Рамановской спектроскопии — ухудшение глубинного пространственного разрешения из-за преломления света [8]. Показано в реф. [6], что при глубинном сканировании многослойной GaN структуры с длиной волны возбуждения 488.0 нм, глубинное разрешение составляет только около 1.8 мкм, в то время как боковое разрешение около 210 нм. ИК спектроскопия преодолевает эту проблему благодаря высокой чувствительности к толщине слоя из-за интерференционных эффектов и влиянию дисперсии показателя преломления в широком спектральном диапазоне.

ИК рефлексионные спектры тонких GaN пленок исследовались еще в 1973 г. А.С. Бейкером [9], но пространственная неоднородность и общая низкая структурная качественность таких пленок значительно ограничивали практическое применение полученных результатов. Тем не менее, возможность определения параметров оптических фононов и поглощения свободных носителей в тонких пленках GaN была продемонстрирована. Детальные исследования продольных оптических фонон-плазмонных связанных (LOPC) мод в объемном GaN выполнялись Перлиным и соавт. [10] с использованием Рамановской спектроскопии и Шубертом и соавт. [11] с использованием ИК эллипсометрии. Эффект различных подложек на оптические свойства кубического и ворцеститового GaN пленок также изучался детально [12, 13]. Учитывая отсутствие родных GaN подложек, показано, что использование сапфировых подложек для эпитаксиального роста GaN пленки оптимально для эксплуатации в устройствах, работающих при высоких температурах. ИК рефлексионные спектроскопические исследования шестиугольного сапфира [14] показали сложный спектр, форма которого сильно зависит от поляризации и угла падения. Это сильно усложняет измерения и определение спектральных характеристик фононных мод и свойств свободных носителей в тонкой GaN пленке, выросшей на сапфировых подложках.

Таким образом, правильный выбор алгоритма спектрального анализа и формы диэлектрической функции имеют великое значение для анализа ИК рефлексионных спектров многослойных GaN-на-сапфире структур [15,16,17]. Эта работа показывает возможность применения ИК рефлексионной спектроскопии и метода матрицы переноса 2 × 2 для анализа планарных GaN-базированных многослойных структур с неравномерными глубинными и легирующими профилями, которые на практике могут быть разными типами полупроводниковых III-нитрид-базированных устройственных структур с вертикальным дизайном, такими как световозводящие и выпрямляющие диоды, Ганн диоды, высокоэлектроннобильностные транзисторы (HEMTs) и т.д.

Методы

Экспериментальная часть

Исследуемые n⁺/n₀/n⁺-GaN структуры выращивали на MOCVD GaN шаблонах на Al₂O₃ (0001) подложках при температуре 800 °C плазменно-помощной молекулярно-лучевой эпитаксией с расходом N₂ 0.5 sccm и RF плазменной мощностью 350 Вт (рис. 1). Это приводит к скорости роста ~ 0.27 ML с⁻¹. Сначала 0.3-мкм толстый GaN буфер выращивали на MOCVD GaN шаблоне. 0.8-мкм толстый Si-легированный GaN слой следовал за 1.75-мкм толстым нелегированным GaN слоем и 0.4-мкм толстым Si-легированным GaN слоем (рис. 1). Номинальная концентрация Si легирования n⁺-GaN слоев составляла ~ 10¹⁹ см⁻³.

Для изучения областей с разной концентрацией носителей, сколотый край исследуемой структуры изучали методом фототравления в безэлектродной конфигурации с использованием водного раствора K₂S₂O₈–KOH (KSO-D система травления) [18]. Этот метод позволяет раскрыть области с разной концентрацией носителей и визуализировать относительные различия концентрации носителей путем измерения скорости травления с использованием профилирования поверхности [19, 20]. Поперечное сечение исследуемого образца фототравляли 3 мин. После этого образцы изучали сканирующей электронной микроскопией (SEM).

Вторионная масс-спектрометрия (SIMS) исследования образцов выполнялись на системе CAMECA IMS6F с использованием цезиевого (Cs⁺) первичного пучка, с током, поддерживаемым на 400 нА для нахождения профиля концентрации примесей. Размер растра составлял около 50 × 50 мкм², а вторичные ионы собирали из центральной области 30 мкм в диаметре. Для H, C, O и Si концентрации выводили из H⁻, O⁻, C⁻, Si⁻ видов соответственно, а матричный сигнал Ga⁻ принимали за референс.

ИК рефлексионные спектроскопические измерения в спектральном диапазоне 300–4000 см⁻¹ со спектральным разрешением 1 см⁻¹ выполнялись при комнатной температуре с использованием спектрометра Bruker Vertex 70 V FTIR, оснащенного источником Globar и детектором деутерированного триглицинсульфата (DLaTGS) с полиэтиленовым окном. Угол падения составлял 11°. S-поляризованные спектры измеряли с использованием KRS-5 поляризатора. Рефлексионный спектр золотого зеркала использовался как референс.

Описание оптической аналитической модели

Рефлексивность системы слоев/подложки рассчитывалась методом матрицы переноса 2 × 2 [17, 21], в котором может быть включено произвольное число слоев, и интерференционные эффекты внутри пленок автоматически учитываются. Метод матрицы переноса 2 × 2 для изотропных слоистых систем позволяет независимое расчет s- и p-поляризованных отражения и прохождения спектров в случае слоистых систем, состоящих из однородных биаксиальных или униаксиальных изотропных пластин, имеющих их c-ось выровненной с z-осью лабораторных координат. В этом случае 2 × 2 матрица переноса слоистой системы может быть представлена в следующем виде [21]:

$$ {\left(\begin{array}{c}\hfill {E}_0^{+}\hfill \\ {}\hfill {E}_0^{-}\hfill \end{array}\right)}_{s/p}=\frac{1}{t_{0,1}^{s/p}}\left(\begin{array}{cc}\hfill 1\hfill & \hfill -{r}_{1,0}^{s/p}\hfill \\ {}\hfill {r}_{1,0}^{s/p}\hfill & \hfill 1\hfill \end{array}\right){\displaystyle \prod_{l=1}^N{T}_{l/\left(l+1\right)}^{s/p}{\left(\begin{array}{c}\hfill {E^{\prime}}_{N+1}^{+}\hfill \\ {}\hfill {E^{\prime}}_{N+1}^{-}\hfill \end{array}\right)}_{s/p}}={\left(\begin{array}{cc}\hfill {T}_{11}\hfill & \hfill {T}_{12}\hfill \\ {}\hfill {T}_{21}\hfill & \hfill {T}_{22}\hfill \end{array}\right)}_{s/p}{\left(\begin{array}{c}\hfill {E^{\prime}}_{N+1}^{+}\hfill \\ {}\hfill {E^{\prime}}_{N+1}^{-}\hfill \end{array}\right)}_{s/p}. $$ (1)

Звездочки в верхних индексах амплитуды поля в выходной среде используются в уравнении (1) для учета значений компонент электрического поля непосредственно справа от N/N + 1 интерфейса.

\( 2\times 2\kern0.24em {T}_{l,\left(l+1\right)}^{s/p} \) матрица переноса учитывает распространение плоских волн из l-го слоя, множественные отражения внутри этого слоя и влияние l/(l + 1) интерфейса. Такая матрица может быть определена как [17]:

$$ {T}_{l/\left(l+1\right)}^{s/p}=\frac{1}{t_{l/\left(l+1\right)}^{s/p}}\left(\begin{array}{cc}\hfill \exp \left(i{\delta}_l^{s/p}\right)\hfill & \hfill -{r}_{l+1,l}^{s/p} \exp \left(i{\delta}_l^{s/p}\right)\hfill \\ {}\hfill {r}_{l,l+1}^{s/p} \exp \left(-i{\delta}_l^{s/p}\right)\hfill & \hfill \exp \left(-i{\delta}_l^{s/p}\right)\hfill \end{array}\right), $$ (2)

где \( {r}_{l,l+1}^{s/p} \) и \( {t}_{l,l+1}^{s/p} \) обозначают частичные коэффициенты отражения и прохождения для l/(l + 1) интерфейса, \( {\delta}_l^{s/p} \) — фазовый сдвиг, накладываемый на свет после распространения l-м слоем для s- и p-поляризованного света.

Фазовый сдвиг для s- и p-поляризованного света после прохождения через l-й слой может быть определен как [17]:

$$ {\delta}_l^{s/p}=\frac{2\pi {d}_l}{\lambda }{n}_{l,s/p} \cos {\theta}_{l,s/p}=\frac{2\pi {d}_l}{\lambda }{n}_l\sqrt{1-{\left(\frac{1}{n_{l,s/p}} \sin \theta \right)}^2}, $$ (3)

где n _l — комплексный показатель преломления для l-го слоя, d _l — толщина l-го слоя, и θ — угол падения.

Частичные коэффициенты отражения и прохождения для s- и p-поляризаций могут быть рассчитаны уравнениями Френеля. Например, частичные коэффициенты отражения и прохождения для s-поляризации имеют следующую форму [21]:

$$ \begin{array}{l}{r}_{l,l+1}^s=\frac{n_{ls} \cos {\theta}_{ls}-{n}_{\left(l+1\right)s} \cos {\theta}_{\left(l+1\right)s}}{n_{ls} \cos {\theta}_{ls}-{n}_{\left(l+1\right)s} \cos {\theta}_{\left(l+1\right)s}}\\ {}{t}_{l,l+1}^s=\frac{2{n}_{ls} \cos {\theta}_{ls}}{n_{ls} \cos {\theta}_{ls}+{n}_{\left(l+1\right)s} \cos {\theta}_{\left(l+1\right)s}}\end{array} $$ (4)

Комплексные коэффициенты рефлексии многослойного стека могут быть таким образом получены подстановкой частичных коэффициентов отражения и прохождения для N + 1 интерфейса (уравнения (4)) в уравнение (1) и фазовых сдвигов всех N слоев (уравнение (3)):

$$ {R}_{s/p}={\left|{r}_{0,N+1}^{s/p}\right|}^2={\left|\frac{T_{21}}{T_{11}}\right|}^2. $$

ИК модель диэлектрической функции

Показатель преломления зависит от комплексной диэлектрической функции ε(ω), которая может быть записана как:

$$ \varepsilon \left(\omega \right)={\varepsilon}^{\mathrm{lat}}\left(\omega \right)+{\varepsilon}^{\mathrm{fc}}\left(\omega \right). $$ (5)

Первый член соответствует вкладу от дисперсии решетчатых мод, а второй — свободно-носительных возбуждений.

Вклад решетчатых мод в ИК отклик ε ^lat(ω) при фононной энергии ℏω может быть описан факторизованной моделью с ЛоRENTZианским расширением [22]:

$$ {\varepsilon}^{\mathrm{lat}}\left(\omega \right)={\varepsilon}_{\infty }{\displaystyle \prod_{k=1}^M\frac{\omega_{\mathrm{LO}k}^2-{\omega}^2-i\omega {\gamma}_{\mathrm{LO}k}}{\omega_{\mathrm{TO}k}^2-{\omega}^2-i\omega {\gamma}_{\mathrm{TO}k}}}, $$ (6)

где M — число инфракрасно-активных полярных фононных мод для s- или p-поляризаций к c-оси; ω_LOk и ω_TOk — частота (см⁻¹) k-го LO и TO фонона; γ_LOk и γ_TOk — их затухания (см⁻¹). Для GaN параметры ω_LOk и ω_TOk учитывают вибрационные моды E ₁(LO), A ₁(LO) и E ₁(TO), и A ₁(TO) [23].

Вклад свободно-носительных видов ε ^fc(ω) в диэлектрическую функцию может быть описан классическим Друдевым приближением [15]:

$$ {\varepsilon}^{\mathrm{fc}}\left(\omega \right)=-{\varepsilon}_{\infty}\frac{\omega_p^2}{\omega \left(\omega +i{\gamma}_p\right)}, $$ (7)

с

$$ {\omega}_p={\left(\frac{N{e}^2}{\varepsilon_{\infty }{\varepsilon}_0{m}^{\ast }}\right)}^{1/2} $$ (8)

$$ {\gamma}_p=\frac{e}{m^{\ast}\mu } $$ (9)

Экранированные плазменные частоты ω _p (уравнение (8)) зависят от концентрации свободных носителей N, высокочастотной диэлектрической проницаемости ε _∞ и эффективной массы m ^∗ свободных носителей (ε ₀ — вакуумная проницаемость и e — элементарный заряд). Плазменный параметр затухания γ _p зависит от оптической подвижности носителей μ (уравнение (9)) [24].

Параметры ω_LO и LOPC мод могут быть определены из мнимой части функции потерь энергии—\( \mathrm{I}\mathrm{m}\left(-\frac{1}{\varepsilon \left(\omega \right)}\right) \) [7], где ε(ω) — комплексная диэлектрическая функция, полученная из уравнения (5).

Результаты и обсуждение

SEM изображение (рис. 2) показывает фототравленное поперечное сечение n⁺/n₀/n⁺-GaN структуры, выросшей на GaN-буфере/GaN-шаблоне/сапфировой подложке, где четко видны шесть различных слоев, которые являются пятью GaN слоями с разной концентрацией носителей и сапфировой подложкой. Следует отметить, что общая толщина исследуемой GaN структуры, измеренная SEM, согласуется с технологической, и наблюдаемые GaN слои согласно рис. 1 могут быть tentaтивно атрибутированы к номинальному верхнему Si-легированному n⁺ региону (слой 1), нелегированному n₀ региону (слой 2), нижнему Si-легированному n⁺ региону (слой 3), нелегированному GaN буферу (слой 4) и GaN шаблону.

Далее, для более глубокого понимания уровня примесей/легирования исследуемых образцов, выполнялись SIMS измерения. Полученные SIMS профили (рис. 3) в хорошей корреляции с номинальной толщиной GaN слоев и общей толщиной изучаемой многослойной структуры. Все изучаемые элементы (H, C, O, Si) были выше предела детекции (3 до 5 × 10¹⁶ ат/см³) SIMS техники.

Профиль намеренного Si легирования в целом согласуется с номинальным профилем легирования с концентрацией около 2.8 × 10¹⁹ см⁻³ в легированных верхнем и нижнем n⁺ регионах и около 2.3 × 10¹⁷ см⁻³ в нелегированном n₀ регионе. Однако, как видно из SIMS данных, также существует тонкий (<50 нм)-дельта слой с Si концентрацией 1.1 × 10¹⁹ см⁻³ между GaN буфером и GaN шаблоном. Следует отметить, что Si-легированный дельта слой также содержит более высокие концентрации непреднамеренных кислородных и углеродных примесей 2.4 × 10¹⁹ см⁻³ и 1.4 × 10¹⁸ см⁻³ соответственно. Этот дельта слой связан с гомоэпитаксиальным интерфейсом повторного роста, который типично возникает от загрязнения GaN шаблона O, Si и C примесями, абсорбированными из атмосферы в технологическом процессе загрузки или в начале повторного роста [25, 26].

Как обсуждалось выше, SEM поперечное сечение и SIMS анализ дают структуру GaN слоев, которая отличается от номинальных параметров за счет возбуждения дополнительного GaN региона, но с общей толщиной в согласии с номинальной. Для прояснения влияния дополнительного GaN дельта-слоя, найденного выше, на ИК рефлексионный спектр исследуемой структуры, моделирование экспериментального спектра выполнялось путем построения моделей, состоящих из шести слоев, соответствующих номинальным технологическим параметрам, SEM изображениям (рис. 1), и семи слоев согласно SIMS. Расчетные спектры на основе описанных выше моделей даны на рис. 4.

Как видно из рис. 4, основанная на SIMS профиле семислойная модель дает лучшую аппроксимацию экспериментального ИК рефлексионного спектра. Таким образом, дальнейшие моделирование и анализ выполняются используя эту модель с модифицированными параметрами, по сравнению с номинальными технологическими (рис. 1), и которая учитывает дополнительный слой между технологическим GaN буферным слоем и GaN шаблоном (рис. 5).

Рис. 6 показывает экспериментальные и подогнанные теоретические s-поляризованные рефлексионные спектры исследуемой структуры при угле падения 11°. Расчетный спектр основан на модели, описанной выше (рис. 5). Дисперсия комплексного показателя преломления для GaN слоев и сапфировой подложки определена с использованием уравнения (5). Сапфировая подложка рассматривалась как полубесконечная, что позволяло пренебречь внутренними отражениями внутри подложки и от не полированной обратной стороны. Сложная структура, наблюдаемая в рештрален области спектра, обусловлена комбинацией перекрывающихся рештрален полос GaN и Al₂O₃ вместе с интерференционными эффектами. Сравнение этих данных с расчетными спектрами не только может предоставить информацию о толщине различных слоев образцов, но также помочь интерпретировать сложную структуру рештрален области в терминах вкладов различных материалов.

Определение толщин слоев из сравнения данных рефлексивности с расчетным спектром — двухэтапный процесс [27]. Во-первых, интерференционные полосы в прозрачной области выше рештрален полос (ω > 1200 см⁻¹) обусловлены интерференционными эффектами на слоях многослойной структуры. Таким образом, общая толщина исследуемой структуры, которая является суммой всех слоев, может быть оценена.

Как только толщина стека известна, индивидуальные толщины каждого слоя могут быть определены подгонкой расчетных спектров к интерференционным эффектам в рештрален области спектра. Толщины слоев варировали с учетом ранее определенной общей толщины. Под этим ограничением рефлексивность выше 1200 см⁻¹ не меняется значительно. Интерференционные эффекты в рештрален области могут быть отличены от других особенностей таких как TO и LO вибрационные моды основываясь на факте, что интерференционные полосы смещаются в позиции при изменении толщин слоев [28].

Во время аппроксимации экспериментального спектра в рештрален области, следующие параметры модели варировали: параметры затухания γ_LO и γ_TO для E ₁(LO) и E ₁(TO) фононных мод; плазменная частота ω _p ; плазменный параметр затухания γ _p ; и толщины слоев. Следует отметить, что только E ₁ симметрия фононы являются ИК активными в s-поляризации [9]. Начальные частоты E ₁(LO) и E ₁(TO) фононов для GaN и сапфировой подложки брали из ИК рефлексии [29] и Рамановского рассеяния [6, 14] экспериментов. Типичные значения GaN фононной частоты ω_TO = 560 см⁻¹ и ω_LO = 740 см⁻¹. Фононные частоты для каждого слоя уточняли в процессе подгонки. Полученные лучшие-подогнанные параметры с погрешностями даны в Таблице 1. Следует отметить, что полученные в процессе подгонки толщины слоев в хорошем согласии с данными SEM.

Обращаясь к рис. 6a, рефлексионный пик при ~450 см⁻¹ может быть атрибутирован сапфировой подложке. Особенности, наблюдаемые в диапазоне 500–740 см⁻¹, обусловлены комбинацией перекрывающихся особенностей от GaN слоев и сапфировых рештрален полос. Для более глубокого анализа, ИК рефлексионные спектры объемного GaN и 6.78-мкм толстого GaN слоя на сапфире, с толщиной GaN, соответствующей общей толщине исследуемой структуры, моделировались в области рештрален полосы (рис. 7). Как видно из рис. 7, рефлексионные спектры 6.78-толстого GaN слоя на сапфире и объемного GaN в диапазоне 500–740 см⁻¹ похожи на экспериментальный спектр. Малая особенность при ~511 см⁻¹ ассоциирована с сапфировой подложкой. Следует упомянуть, что при ~736 см⁻¹ есть слабая впадина, соответствующая A ₁(LO) моде GaN шаблона. Согласно правилам отбора, A ₁(LO) мода запрещена в s-поляризованных ИК спектрах [9]. Возможная причина регистрации этой запрещенной моды может быть утечка поляризации из-за апертуры рефлексионного аксессуара, а также микронеоднородности кристаллической структуры GaN. Конкретно, это может быть вызвано наклоном c-оси колоннообразной ворцеститовой структуры GaN от направления перпендикулярного плоскости роста пленки. Эта мода не учитывалась в нашем моделировании из-за ее слабого влияния на результирующий спектр. Особенности в диапазоне 750–1200 см⁻¹ обусловлены перекрывающимися GaN:Si и сапфировыми рештрален полосами и интерфейсными эффектами. Падение при ~775 см⁻¹ связано с интерфейсным эффектом на краю рештрален полосы GaN слоев и сапфира. Широкая впадина при ~825 см⁻¹ ассоциирована с перекрытием высокочастотной ветви плазмон-LO-фонон связанной моды (LPP⁺) n⁺ слоев.

Рис. 8 показывает рассчитанные мнимые части функции потерь энергии для каждого слоя согласно осцилляторным параметрам, данным в Таблице 1 для оценки E ₁-LOPC мод. Как видно, высокочастотная ветвь LOPC мод (LPP⁺) при концентрациях носителей ниже 10¹⁷ см⁻³ (n₀ слой и шаблон) почти совпадает с E ₁(LO) фононной модой. Увеличение концентрации носителей в диапазоне 2 × 10¹⁷–3 × 10¹⁸ см⁻³ (рис. 5) приводит к значительному высокочастотному сдвигу и расширению LPP⁺ ветви, что указывает на увеличение взаимодействия между LO фононом и плазмой и снижение подвижности заряженных носителей. Это поведение LPP⁺ ветви хорошо согласуется с экспериментальными данными по ИК рефлексии Si-легированных GaN пленок, выросших на сапфире Z.F. Li и соавт. [30], и Рамановским измерениям в объемном GaN [10] и эпитаксиальных слоях [31]. Следует отметить, что низкочастотная LPP⁻ ветвь LOPC не может быть надежно определена в нашем случае, так как s-поляризованные ИК рефлексионные спектры не измерялись в низкочастотном диапазоне ниже 300 см⁻¹.

Значения концентрации носителей и подвижности, приведенные в Таблице 2, были рассчитаны используя уравнения (8) и (9) с эффективной массой электрона m* 0.2 m₀ [32]. Видно, что рассчитанный профиль концентрации носителей подобен профилю концентрации Si примесей, полученному SIMS измерениями (рис. 3), но с порядком величины более низкими концентрациями носителей по сравнению с концентрацией Si примеси. Такое расхождение в концентрациях носителей и легирующих примесей наблюдалось ранее М. Боковским и соавт. [33], и относилось к эффектам компенсации акцепторными состояниями (вероятно галиевыми вакансиями), энергия формирования которых снижается с увеличением n-тип легирования [34]. Следует упомянуть, что концентрация носителей для n⁺ слоев в порядке ~10¹⁸ см⁻³ в хорошем согласии с результатами наших Рамановских исследований похожих GaN структур на основе анализа LOPC мод [6]. Полученное снижение подвижности носителей μ с концентрацией носителей также в хорошем согласии с Холловскими экспериментами в GaN [35] и теоретическим моделированием [36].

Значения высокочастотной диэлектрической проницаемости ε_∞ находились в диапазоне 4.99–5.35 (Таблица 1). Увеличение ε_∞ для легированных n⁺ слоев по сравнению с n₀ слоями может быть связано с красным сдвигом α-GaN запрещенной зоны [37]. Следует отметить, что значения ε_∞ могут быть определены с относительно малой ошибкой только для низкопроводящих пленок. Точность определения ε_∞ уменьшается с концентрацией носителей, что связано с тем, что параметр ε_∞ учитывает «высокочастотный» предел когда диэлектрическая модельная функция экстраполируется к более коротким волновым числам, чем изученные здесь [11]. Широкий спектральный диапазон 300–4000 см⁻¹ анализировался для уменьшения ошибки в определении ε_∞ и других параметров, вовлеченных в моделирование ИК рефлексионных спектров n⁺ слоев.

Заключение

ИК рефлексионные спектры многослойной структуры, состоящей из GaN слоев, выросших на сапфировой подложке и легированных разными концентрациями Si примеси, были измерены и детально проанализированы. Анализ исследуемой структуры SEM фототравленного поперечного сечения показал хорошую корреляцию с технологическими параметрами GaN слоев. SIMS анализ также раскрыл наличие тонкого дельта-слоя около интерфейса GaN буфер/GaN-шаблон с более высоким содержанием Si и O примесей, который связан с гомоэпитаксиальным интерфейсом повторного роста. Моделирование ИК рефлексионного спектра изучаемой многослойной структуры включением в анализ дополнительного слоя сделало возможным получение лучшей аппроксимации экспериментального спектра. Полученные толщины GaN слоев в хорошем согласии с данными SEM и SIMS. Рассчитанные из спектральной зависимости диэлектрической проницаемости LOPC моды для каждого GaN слоя показали высокочастотный сдвиг и расширение LPP⁺ ветви с увеличением концентрации носителей. Концентрация и подвижность заряженных носителей для каждого GaN слоя были рассчитаны из плазменной частоты и параметра затухания. Полученный профиль концентрации носителей подобен полученным SIMS, но со значениями концентрации носителей на порядок меньше концентрации Si легирующей примеси, что может быть атрибутировано эффектам компенсации дефектными акцепторными состояниями. Таким образом, продемонстрировано, что ИК рефлексионная спектроскопия и метод матрицы переноса 2 × 2 могут быть успешно использованы для анализа эпитаксиальных многослойных GaN структур с неравномерными легирующими профилями, и позволяют определять фундаментальные электронные и фононные параметры каждого GaN слоя.

История изменений

Аббревиатуры

ИК:

Инфракрасный

FTIR:

Фурье-преобразованная инфракрасная спектроскопия

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

SIMS:

Вторионная масс-спектрометрия

LOPC:

Продольный оптический фонон-плазмон связанный