《Materials Science in Semiconductor Processing》：Diffusion and trapping of silicon in wurtzite gallium nitride
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硅在氮化镓中的扩散行为及缺陷影响研究，通过次级离子质谱和透射电镜分析，发现低温退火（600-900℃）下硅在两种样品中的扩散差异：薄层沉积样品符合菲克定律，扩散系数5.1×10^-21至3.0×10^-19 m2/s，激活能1.07 eV；而外延生长样品未出现菲克扩散，电镜显示层内存在高密度位错和晶界，阻碍硅扩散。
三村圭人（Keito Mimura）| 中村龙介（Ryusuke Nakamura）| 石丸学（Manabu Ishimaru）| 樱根慎二（Shinji Sakane）| 上冈良宏（Yoshihiro Ueoka）| 梅田雅美（Masami Mesuda）| 铃木武之（Takeyuki Suzuki）
日本滋贺县立大学工学院材料化学系，Hassaka-cho 2500，Hikone，522-8533
摘要
为了材料设计和控制氮化镓（GaN）的电学性能，以便应用于各种设备，必须全面了解不同掺杂剂的扩散行为。本研究测量了典型n型掺杂剂硅（Si）在纤锌矿结构单晶GaN（mc-GaN）薄膜中沿c轴方向的扩散系数（D）。与以往的研究相比，实验温度范围为600–900°C。使用二次离子质谱法检测了两种类型的样品。对于沉积在mc-GaN上的薄Si层，通过基于误差函数型方程分析Si浓度分布来确定D值，其范围为5.1 × 10^-21至3.0 × 10^-19 m^2 s^-1。Si扩散的活化能为1.07 eV，与文献中报道的900°C以上温度下的数据相当。相比之下，在600–900°C下，含有Si的外延生长GaN薄膜（GaN(Si)）与mc-GaN组成的扩散对中未观察到Si的菲克扩散现象。横截面透射电子显微镜观察发现，GaN(Si)层的微观结构存在大量缺陷：不仅存在柱状结构的边界，层内还存在大量位错，这些位错成为Si的陷阱。
引言
氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体，由于其良好的电子性能（如击穿电场和电子迁移率），它是适用于高电压、高频率和高温环境的各种设备的关键材料。由于这些优势，人们期待将GaN薄膜与各种半导体系统（如基于硅的CMOS [1]、功率器件 [2] 和光子晶体 [3,4]）进行异质集成。
传统的GaN薄膜是在高于1000°C的温度下，通过分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在衬底上生长的。高温工艺不可避免地会导致与某些半导体材料的异质外延不兼容 [4]。因此，人们付出了大量努力，试图通过常规的MBE和MOCVD [5], [6], [7], [8], [9], [10] 以及更常见的溅射 [11,12] 技术，在低温下制备出具有与高温制备薄膜相当结晶质量、表面粗糙度和纯度的GaN薄膜。最近，Muthuraj等人 [10] 报告称，在550°C下，通过控制n型掺杂剂Si的浓度，在蓝宝石衬底上成功外延生长了GaN薄膜，并展示了良好的电学性能。为了实际应用这些低温制备的GaN薄膜，必须深入了解掺杂剂在GaN中的扩散行为及其通过各种工艺形成的微观结构。
实验测量了Si在GaN c轴方向的扩散系数（D）[13,14]。Pan等人 [13] 分析了在1000°C和1100°C下退火的SiN/Si/GaN样品中Si的深度分布，得到的D值约为10^-19至10^-18 m^2 s^-1；而Jakiela等人 [14] 在900–1200°C下退火的Si掺杂GaN中测得的D值约为10^-19至10^-16 m^2 s^-1。这两项研究仅在高温下进行测量，所得D值存在显著差异。理论计算预测，Si通过Ga空位进行迁移，活化能为3.1–3.8 eV，这与Ga自扩散的空位机制类似 [15]。理论计算的Si扩散活化能显然高于实验测得的0.89–2.2 eV [13,14]。鉴于当前情况，在比以往报道的更低温度下测量D值非常重要。这种方法有助于探究实验观察结果与理论假设机制之间的差异，从而加深对Si在GaN中扩散机制的理解。
本研究通过分析较低温度（600–900°C）下的长程扩散分布，评估了单晶GaN（mc-GaN）中Si沿c轴方向的扩散系数。准备了两种类型的扩散样品进行交叉验证：(i) 沉积了薄Si层的mc-GaN；(ii) 沉积了含有Si的外延生长GaN层的mc-GaN。从样品(i)的误差函数型浓度分布分析中得出D值。出乎意料的是，在与样品(i)相同的退火条件下，样品(ii)中未观察到Si向mc-GaN的扩散。研究表明Si的扩散行为偏离了菲克定律。基于透射电子显微镜的微观结构分析，讨论了Si被位错和柱状结构边界等缺陷捕获的现象。
样品制备和扩散退火
3微米厚的单晶GaN（mc-GaN）薄膜层沉积在缓冲GaN层/蓝宝石（Al2O3）衬底上，购自Enkris Semiconductor, Inc。将直径为50毫米的圆盘切割成10 × 5毫米^2的小块用于扩散实验。
准备了两种类型的扩散样品：在室温下，使用直径为...的Si靶材（纯度99.999%，Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., Sakado, Japan）通过溅射技术在mc-GaN的镜面上沉积了80纳米厚的Si薄膜。
Si/mc-GaN中的扩散
图1展示了Si/mc-GaN中正二次离子^69Ga（黑色）、^14N（黑色）和^28Si（红色）的典型强度分布随深度（z）的变化情况。虚线和实线分别代表未经退火样品和在700°C下退火16小时的样品的强度。无论是在未经退火的样品还是退火样品中，GaN和N的强度分别约为4 × 10^5和1 × 10^2
结论
本研究通过SIMS分析了较低温度（600–900°C）下的长程扩散分布，并结合TEM进行微观结构表征，研究了Si在GaN c轴方向的扩散行为。结论如下：
(1)在沉积了薄Si层的mc-GaN样品中，Si的浓度分布几乎遵循具有恒定扩散系数的误差函数型方程。
CRediT作者贡献声明
三村圭人（Keito Mimura）：研究、正式分析。中村龙介（Ryusuke Nakamura）：撰写——初稿、可视化、验证、资源准备、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。石丸学（Manabu Ishimaru）：研究、正式分析、数据管理。樱根慎二（Shinji Sakane）：正式分析、数据管理。上冈良宏（Yoshihiro Ueoka）：资源准备、方法论、研究。梅田雅美（Masami Mesuda）：资源准备、方法论、研究。铃木武之（Takeyuki Suzuki）：资源准备。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
二次离子质谱测量得到了“材料与器件联合研究网络中心（MEXT）”的合作项目支持。
