单能正电子束研究N注入GaN中空位型缺陷及其对Mg扩散的影响

《physica status solidi (b)–– basic solid state physics》：Vacancy-Type Defects in N-Implanted GaN and Their Impact on Mg Diffusion Studied by a Monoenergetic Positron Beam

　　

研究人员利用单能正电子束（monoenergetic positron beam）研究了N注入GaN（N-implanted GaN）和Mg注入GaN（Mg-implanted GaN）中空位的退火行为。对于在1100 °C进行超高压力退火（ultrahigh-pressure annealing, UHPA）后的N注入GaN，主要缺陷种类被鉴定为与氢原子耦合的空位型缺陷（vacancy-type defects）（例如H-V_GaV_N，V_Ga：Ga空位，V_N：N空位）。在光子能量高于1.5 eV的光照下，空位的正电子捕获率（positron trapping rate）增加，这被归因于空位复合体（vacancy complexes）对电子的捕获，导致缺陷的电荷转移由正变为中性（或由中性变为负）。光照活性缺陷所含的V_N多于黑暗中可检测的空位复合体。对于伴随顺序N注入（sequential N-implantation）的Mg注入GaN，Mg的扩散性质取决于N注入剂量。顺序N注入引起空位复合体与过量N的复合，导致空位尺寸减小。这种空位种类的修饰被认为是空位富集区中Mg迁移受到抑制的来源。

研究背景与问题：GaN作为宽禁带半导体在功率电子器件中受到广泛研究，GaN高电子迁移率晶体管（high-electron-mobility transistor, HEMT）已实现商业化，应用包括DC–DC电源变换器、电机驱动、无线功率传输和太阳能微逆变器等。横向AlGaN/GaN异质结构依靠二维电子气（two-dimensional electron gas, 2DEG）获得高迁移率和击穿电压，但千伏级应用受栅漏间距、导通电阻和芯片面积限制。垂直GaN功率器件可使电流和峰值电场进入体材料，从而提高电流能力、击穿电压和可靠性；其商业化障碍之一是低成本选区掺杂。Si和SiC中离子注入加退火是成熟选区掺杂工艺，GaN中Si注入可形成n型源漏和欧姆接触，而Mg注入p型掺杂仍困难。GaN在900 °C以上开始分解，因此需采用盖帽层退火、多周期快速热退火、激光退火或高压N₂下无盖帽超高压力退火（UHPA）抑制表面损伤。UHPA可提高Mg激活率超过80%，但高温退火增强Mg扩散并扭曲原始注入分布，降低电极附近载流子浓度。顺序N注入可抑制UHPA期间Mg扩散并提高Mg激活率，已用于1.2 keV级垂直GaN器件；N注入也用于横向GaN器件隔离区和guard ring。N注入形成高阻区与深能级陷阱引入有关，同时预期通过V_N与N复合降低V_N浓度，因此Mg和N注入GaN中缺陷同时被引入和减少。为有效使用顺序N注入技术，需理解GaN中点缺陷性质；正电子湮灭谱（positron annihilation spectroscopy）对半导体点缺陷敏感，单能正电子束已用于GaN空位研究。研究人员因此研究N注入和Mg注入GaN中空位型缺陷的退火行为，并考察UHPA中氢扩散及其与空位型缺陷的相互作用；由于氢行为与Mg激活密切相关，理解Mg、空位和氢在退火中的作用对控制GaN p型区载流子浓度十分重要。

研究开展与结论意义：研究人员对N注入n型和p型GaN、Mg注入加顺序N注入GaN以及Mg掺杂GaN进行UHPA处理，采用单能正电子束、S–W参数（Doppler broadening S/W parameters，多普勒展宽谱参数）、光致发光（photoluminescence, PL）、二次离子质谱（secondary ion mass spectrometry, SIMS）、TRIM模拟和QMAS（Quantum Materials Simulator，量子材料模拟器）模拟等研究空位、H和Mg行为。结论表明：N注入GaN(n-type)在1300 °C UHPA后仍残留空位型缺陷，主要缺陷种类为与H原子耦合的V_Ga型缺陷；空位深度分布与H分布一致，说明H被空位捕获；光子能量高于1.5 eV的光照提高空位对正电子的捕获率，归因于激发电子被空位复合体捕获并改变缺陷电荷态；光照活性缺陷比黑暗中可检测空位复合体含更多V_N。Mg注入GaN加顺序N注入中，Mg扩散性质依赖N注入剂量；顺序N注入使空位复合体与过量N复合，减小空位尺寸，这种空位种类修饰被认为是空位富集区Mg迁移受抑制的来源。该研究说明V_Ga与V_N的非平衡形成以及空位与Mg反应在Mg扩散中起主要作用，为根据Mg注入能量和剂量选择N注入条件以控制Mg扩散提供了依据。

关键技术方法（不超过250字）：样品为在GaN衬底上生长的3 μm GaN(n-type)层，净施主浓度为2×10¹⁶ cm^?3；Mg⁺以20 keV、2×10¹⁴ cm^?2注入，随后顺序N注入能量20–410 keV，高剂量总剂量3.85×10¹⁴ cm^?2，低剂量约三分之一；另设N注入n/p型GaN和Mg掺杂GaN。样品由Toyota Central R&D Labs, Inc.提供。UHPA在500 MPa N₂下于1100–1300 °C进行5和30 min。关键技术包括单能正电子束多普勒展宽测S–E与S–W关系并用VEPFIT拟合深度分布，QMAS模拟空位及空位–氢复合体S/W值，SIMS测Mg和H深度分布，325 nm He–Cd激光测13 K和室温PL，TRIM模拟N注入分布。

研究结果：
2.1 N注入GaN中空位的退火行为（Annealing Behaviors of Vacancies in N-Implanted GaN）：N注入在GaN中形成约1 μm深的box分布。S–E关系显示2–10 keV处S值升高，表明正电子被N注入引入的空位型缺陷捕获。GaN(n-type)在1200 °C退火后S值下降，至1300 °C保持恒定，说明空位型缺陷在高退火温度下仍残留。经VEPFIT拟合，1100 °C退火样品S深度分布达到1200 nm并接近N分布，高S区主要在0–500 nm且接近H分布，表明H原子被空位捕获。n型和p型样品H分布几乎相同，但p型S值较小且向表面移动；原文将其归因于Mg部分激活导致费米能级位置降低，使空位电荷态由中性变为正（或由负变为中性），而带正电空位的正电子捕获率较低。p型样品在≥0.8 μm处[H]几乎等于[Mg]，归因于Mg_Ga–H对形成；所用退火温度高于常规脱氢温度，Mg_Ga–H对可能在UHPA冷却阶段形成。640–680 nm处[Mg]增加并靠近空位富集区与无缺陷区界面，原文将其与端部范围（end-of-range, EOR）扩展缺陷形成及Mg在扩展缺陷处聚集相关联；1100 °C时高[Mg]区[H]未增加，1200 °C以上[H]开始跟随Mg分布，Mg团簇形成会抑制Mg_Ga–H对；1200 °C以上Mg团簇开始解离，但高[Mg]区在1300 °C后仍存在。S–W关系表明，1100 °C退火GaN(n-type)黑暗中(S,W)值接近H-V_GaV_N模拟值，主要缺陷为与H耦合的V_GaV_N型空位；1200 °C退火后(S,W)左移并保持恒定，归因于空位复合体与过量N复合，使与V_Ga耦合的V_N数目减少。p型(S,W)趋近无缺陷GaN值，归因于Mg部分激活和缺陷电荷态改变。光照实验显示，缺陷富集区S值在光照下增加；光子能量低于1.5 eV时S值近恒定，高于1.5 eV后增加，2.2–3.2 eV再次恒定，高于3.4 eV再增加。PL中近带边（near-band-edge, NBE）发射位于3.42 eV，与S值在3.2–3.4 eV增加一致，说明光照将价带电子激发至导带后被空位复合体捕获。S–W图中光照使(S,W)右移，而V_Ga(V_N)_n随n增大右移，因此光照活性空位团簇比黑暗中可检测的中性或负电空位含更多V_N。PL中黄光发光（yellow luminescence, YL）峰约2.2 eV，原文归于V_Ga、V_GaO_N和C_N等来源；杂化密度泛函计算预期3H-V_Ga和2H-V_GaO_N可产生YL，但S–W值远离3H-V_Ga模拟值，三H耦合V_Ga不太可能是正电子湮灭检测到的主要缺陷。p型13 K PL中3.48 eV尖峰归因自由/束缚激子，3.27和3.18 eV峰归因Mg_Ga^0/?相关发射，说明1100 °C时部分Mg占据Ga位；n型弱发光峰与层生长中非故意Mg有关；2.2–2.3 eV宽发光带归因C_N、空位及O/H复合体，主要对应V_Ga相关缺陷和Mg_Ga–V_N（及/或Mg_Ga–V_N–H）。

2.2 顺序N注入对Mg注入GaN空位的影响（Impact of Sequential N-Implantation on Vacancies in Mg-Implanted GaN）：Mg注入GaN(n-type)加顺序N注入中，低[N]和高[N]总剂量分别约1.3×10¹⁴和3.9×10¹⁴ cm^?2。as-implanted样品(S,W)值接近V_GaV_N模拟值，说明退火前主要缺陷为V_GaV_N类空位。1100 °C退火后，高[N]样品(S,W)值位于低[N]样品左侧，归因于高[N]中空位团簇与过量N复合概率增加，使与V_Ga耦合的V_N数减少。光照对(S,W)的影响与N注入样品相同，两个样品(S,W)均趋近无缺陷GaN值，主要因UHPA使Mg部分激活并改变空位电荷态。1100 °C退火后，高[N]样品Mg分布呈0–120 nm盒状，位置与as-implanted样品近表面缺陷富集区重合，说明Mg注入引入的空位增强Mg扩散；该区[H]降低，S值接近无缺陷值；低[N]样品也观察到类似[Mg]、[H]和S行为。由于N注入GaN中亚表面空位浓度未降低，S值降低不是空位型缺陷退火消失，而是空位电荷态改变。高[Mg]盒状区接近Mg溶解度极限约10¹⁹ cm^?3且亚表面结晶度降低，Mg可形成团簇；4Mg_Ga–V_N和3Mg_Ga–Mg_i等Mg富集团簇可贡献p型导电，使费米能级下降并降低正电子捕获率；这些团簇抑制Mg_Ga–H形成，导致[H]与[Mg]差异，类似N注入p型GaN 1100 °C退火后的[H]/[Mg]关系。PL测量中325 nm激光穿透深度小于100 nm，主要反映0–120 nm盒状Mg区；高[N]样品PL强度低于低[N]样品，归因于高浓度非辐射复合中心（nonradiative recombination centers, NRCs）；13 K下紫外发光（ultraviolet luminescence, UVL）3–3.3 eV归因自由–受主和/或施主–受主对（donor–acceptor pair, DAP）发射，也支持亚表面费米能级下移。1200 °C以上退火后，高[N]样品Mg迁移停在350–400 nm；H和空位型缺陷分布比Mg更深，<300 nm处S降低因Mg部分激活；低[N]样品Mg扩散更深，H分布跟随Mg分布，归因于Mg–H对形成；1200和1300 °C退火后S深度分布近平坦并接近无缺陷值，因Mg广泛分布并部分激活。低[N]样品1200 °C退火后[Mg]在520 nm以下近恒定，至800 nm下降；1300 °C后Mg开始扩散至800 nm以深。原文指出≥800 nm处Mg扩散行为常见于高退火温度离子注入GaN，并常用Fick定律或Boltzmann-Matano方法分析，后者假设杂质扩散常数依赖浓度；经典扩散模型假设杂质与基体原子反向扩散，因此Ga向表面扩散也影响Mg扩散。讨论认为，N注入诱导空位团簇与过量N复合，降低与V_Ga耦合的V_N数；共价半导体多空位稳定性取决于原子构型和悬挂键“magic number”，例如Si中V₆解离能高于V₅或V₇；无顺序N注入的Mg注入GaN在1000 °C以上退火后主要缺陷为(V_GaV_N)₃类空位团簇，而N注入GaN退火后空位团簇更小，因此顺序N注入不仅减少与V_Ga耦合的V_N数，也减小开放空位空间总尺寸。Mg扩散包括间隙机制和空位机制，空位富集区以空位机制为主；空位机制中Mg和Ga跳至邻近V_Ga位，限速过程为Ga跳跃；Mg和Ga跳至V_Ga时需穿过N原子围成的间隙区，V_N与V_Ga耦合会降低Mg和Ga迁移能垒，V_N数减少则抑制Mg迁移；Ga迁移同理，高剂量N注入减少Ga向表面迁移也会影响Mg扩散；损伤区Mg团簇形成也降低跳跃率。高[N]样品中损伤区Mg和Ga迁移受抑制，使Mg不能到达低损伤区；低[N]样品1200 °C退火后Mg进入500 nm以下，500–800 nm处[H]仍高于800 nm以下，说明空位型缺陷未完全退火，Mg迁移仍受缺陷影响；1300 °C退火后Mg到达800 nm并进入更深区域，Mg–H复合体形成会降低Mg迁移势垒。

总结讨论与结论翻译：讨论部分表明，N注入同时引入和减少缺陷，V_Ga与V_N的非平衡形成、空位团簇尺寸变化、空位电荷态随费米能级和Mg激活改变、Mg_Ga–H对形成以及Mg团簇形成共同影响Mg扩散；顺序N注入通过空位团簇收缩抑制损伤区Mg和Ga跳跃，从而抑制Mg迁移。研究结论（Summary）翻译：研究人员采用正电子湮灭谱研究了N注入和Mg注入GaN中空位型缺陷的退火行为。对于N注入GaN(n-type)，空位型缺陷在1300 °C UHPA后仍残留，主要缺陷种类被鉴定为与H原子耦合的V_Ga型缺陷；空位深度分布与H深度分布一致，表明H原子被空位捕获；光子能量高于1.5 eV的光照提高空位对正电子的捕获率，归因于激发电子被空位捕获。对于不同剂量顺序N注入的Mg注入GaN，退火前主要缺陷种类被鉴定为V_Ga型缺陷，如V_GaV_N；1100 °C退火后，高[Mg]亚表面区（≤120 nm）空位对正电子的捕获率降低，该现象与形成作为受主的Mg团簇有关；1200 °C以上退火后，高剂量N注入样品Mg深度分布保持0–400 nm盒状，而低剂量N注入样品Mg开始向样品深处扩散；观察到的Mg扩散抑制归因于空位团簇收缩导致损伤区Mg和Ga跳跃率受抑制；本实验表明V_Ga和V_N的非平衡形成以及空位与Mg反应在Mg扩散中起主要作用。因此，为控制GaN中注入Mg的扩散性质，需根据Mg注入能量和剂量选择合适的N注入条件。