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贯穿位错对铝镓氮-氮化镓光学及电子器件性能的影
响
1(贯穿)位错及其表征
氮化镓与其它第三主族氮化物(如氮化铝和氮化铟)的多元
化合物,因理想的禁带带宽(3.4eV及宽达0.7-6.2eV的调节范
围)和良好的热稳定性,在诸如蓝光和白光(后者通过黄磷化物
掺杂或RGB三原色芯片整合实现)的LED和激光器等光子器件,
以及诸如高迁移率电子晶体管(HEMT)和金氧半场效晶体管
(MOSFET)等电子器件的应用市场潜力巨大。由于块晶氮化镓
具有极其昂贵的生产成本、极高的工艺难度和不安全性,氮化镓
通常以薄膜态在蓝宝石、碳化硅和单晶硅等异质衬底上外延生长。
这样异质生长方式的代价是生长环节中很大的晶格失配(如
Al2O3:+16%,SiC:+39%)和冷却环节中的热膨胀系数失配
(如Al2O3:-3.5%,SiC:-3.2%)。其中,前者会伴随产生大量
的位错。
失配位错和贯穿位错是伴随氮化镓薄膜外延生长所产生的
两种位错类型。当超过临界薄膜厚度时,失配位错会形核生长以
降低应变能。相比而言,贯穿位错并不能减少应力,但人们认为
正是贯穿位错主要影响了氮化镓基器件的光学(如复合效率、内
量子效率)和电学性能(如漏电流和其它可靠性问题)。
贯穿位错(threadingdislocation)是氮化镓中最具代表性的
缺陷。贯穿位错通常有三种类型,即当位向垂直于基底时,纯刃
型(a型)位错的伯格斯矢量
,纯螺型(c型)位错的b=)以及’c+a’混合型
()。刃型位错使c面沿着轴转动,螺型位错使c面沿着垂
直于轴的方向转动。这些取向可以经X射线摇摆曲线分析证实。
如果我们考虑一个(0001)面,它具有线型朝向的刃型或螺型贯
穿位错。刃型位错具有的平面应变使其仅能扭曲h或k不为零的
(hkl)平面。
从而,对称(00l)摇摆曲线测试对纯刃型位错并不敏感,因
为刃位错并不扭曲这些平面。离轴平面的摇摆曲线测试中半峰宽
会增加,因为这些平面会被刃位错所扭曲。比如,高位错密度(~
1010cm-2)的(0002)摇摆曲线的半峰宽会大于200arcsec。相
反,的螺型位错具有纯剪应变场并扭曲所有l不为零的(hkl)面,
因而(00l)摇摆曲线仅对螺型成分的位错敏感。
这种位向信息同时可得到透射电镜的分析证实,并得到更多
关于位错密度以及位错成分相对比例的信息。通常远离表面或界
面的贯穿位错具有的线型方向,在g=1120的双束衍射中,纯刃
型(b平行于(0001))和混合型位錯可以被观测表征,而纯螺型
位错(b=)并不可见。相反,在g=0002的双束衍射情形下,所
有纯刃型位错不可见,而螺型和混合型可见。因而通过对比
g=1120和g=0002的双束衍射图象,可以得到刃型对螺型成分
的相对比例。
2(贯穿)位错对氮化镓基器件的影响
2.1氮化镓对于氮化镓高位错密度的免疫“”现象
在讨论(贯穿)位错对器件的影响前,我们应讨论氮化镓和
砷化镓相比对高位错密度相对免疫“”的现象。比如,在传统的LED
器件中,高位错通常导致发光效率的下降。因此传统的砷化镓基
LED的位错密度会低于104cm-2,但内量子效率(用于衡量复合
效率)仅在12%左右。相比,两步法横向外延过生长(two-step
lateralovergrowth)氮化镓的常见位错密度达到108cm-2,内量
子效率却可以达到~10%。
学术界对这一现象的认识和解释不一,具有代表性的两种理
论如下:其一认为如果载流子的扩散长度想比位错间的平均距离
更短的话,复合效率将独立于位错的数量。图1描述了过剩载流
子的扩散长度随不同位错密度的关系。从中可以看到,扩散长度
越短,载流子对位错密度越迟钝。譬如,当Ld约50nm
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