美國北卡羅來納州立大學(NCSU)和美國Adroit材料公司的研究人員通過在激活退火過程中使用紫外線(UV)照射,提高了硅注入的氮化鋁(AlN)中的自由電子濃度,從而提高了電導率。
氮化鋁具有6.1eV的超寬帶隙,這對于制造大功率和高壓電子產品而言具有誘人的吸引力,同時在約200nm波長范圍內兼有深紫外光電子學的潛力。寬帶隙材料在實現高電導率方面具有挑戰性。
改善AlN中的電導率涉及降低螺紋位錯和鋁空位硅(VAl-nSi)絡合物的密度。這些缺陷通過俘獲淺至約70meV供體態的電子,降低了硅作為摻雜劑的有效性,從而降低了電導率。
紫外光照射的目的是產生多余的少數載流子,這些載流子的存在使VAl-nSi絡合物的形成能向上移動,從而降低了它們的密度。產生空穴需要能量高于6.1eV帶隙(即波長小于200nm)的UV光子。該技術的理論設計為缺陷準費米能級(dQFL)控制。
研究人員使用位錯密度低于103 / cm2的AlN襯底,單晶AlN由通過物理氣相傳輸(PVT)生長的球團加工而成,再通過使用富氮金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)添加同質外延AlN層。
n型摻雜是在100keV能量下用1014個原子/cm2的硅離子注入實現的,在注入過程中,將AlN襯底傾斜7°,以避免離子容易穿過晶格結構中對齊間隙的通道效應。
在氮氣中以100Torr的壓力在1200°C退火2小時來激活摻雜,溫度被視為較低,低于系統達到熱力學平衡所需的值。
用來自1kW汞氙燈的UV燈照射樣品。紫外線照射減少了中間間隙的光致發光,表明成功抑制了植入后退火過程中補償性VAl-nSi點缺陷的產生。
用于電氣測量的觸點是范德堡格式的電子束蒸發釩/鋁/鎳/金。在氮氣中在850°C下沉積一分鐘后,對觸點進行退火。
在300K和725K溫度范圍內測量在各種條件下退火的樣品的電導率。與在相同溫度但沒有紫外線的情況下退火的樣品相比,經過紫外線退火的樣品在整個溫度范圍內的導電率提高了30倍。隨著溫度接近室溫,顯示出較差的性能。
利用電導率的溫度依賴性,研究人員估計紫外線照射的樣品的補償比為0.2,而在1200°C下無紫外線退火的樣品的補償率為0.9。
由于植入物產生的高斯施主濃度和遷移率隨深度而變化,預計室溫霍爾測量結果不會很準確,因此,進行了熱探針交流測量。
在高于400°C的溫度下,自由電子濃度估計為5x1018 / cm3(假定為200nm層的平均值),遷移率為1cm2 / V-s。薄層載體的濃度接近硅劑量,約為~1x1014 / cm2。
研究人員評論說:“雖然離子注入在AlN中證明了室溫下超過1/Ω-cm的高導電性,但盡管補償率很低,測量的載流子遷移率卻比外延摻雜低100倍左右。”
在沒有UV的情況下經過1200°C退火的樣品在類似的遷移率下具有約1x1013 / cm2的薄片載體濃度。低遷移率促使科研人員進一步深入研究,希望可以得到改善,從而實現更高的導電性。
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