简化 GaN 中低水平 P 型掺杂的测量

在低温下获得的光致发光光谱揭示了 GaN 中的 p 掺杂水平

GaN-MOSFET的优化一直受到这种功率晶体管中p型掺杂低水平测量困难的阻碍。但由于Oita大学和MieleTechnologies的日本团队的工作，这个问题不再存在。通过使用低温光致发光测量揭示镁基p型掺杂在非常宽的范围内的水平，这些研究人员开创了一种简单、无损和非接触的替代方法。

据来自Oita大学的团队发言人 Masato Omori 称，虽然低温光致发光装置的成本并非微不足道——低温恒温器、光谱仪、探测器和激光器的总费用约为 200,000 美元——但它的成本低于其他替代品。他指出，传统的电气测量设备，例如基于霍尔效应的电气测量设备，其价格约为 30万美元，购买用于制作电极、蚀刻材料和晶片的器件加工设备可能要花费100多万美元。

“此外，晶圆可以在光致发光测量后直接用于器件，”Omori 认为，“而用于电测量的晶圆是一次性的，因此是浪费的。”

另一个重要的考虑因素是，形成具有低浓度 p 型 GaN（即小于 1 x 10¹⁸ cm^-3）的欧姆电极的工艺尚未建立。 “这种技术的开发需要大量的成本和时间，”Omori.评论道。

他和他的同事开创的这项技术遵循了 20世纪70年代在日本宇宙航空研究开发机构工作的 Michio Tajima 的脚步。在此期间，Tajima基于考虑杂质束缚激子线与自由激子线的强度之比，开发了一种量化硅中掺杂浓度的方法。 Omori 和同事正是使用这个比率来确定 GaN 样品中的镁受主浓度。

为了建立这种技术，该团队制作了五个样品，其中包含 2µm 厚的 GaN 层，镁掺杂水平范围从 5 x 10¹⁶ cm^-3 到 1 x 10¹⁸ cm^-3。在用 100 nm 的 SiO₂ 覆盖这些外延层后，他们在1050℃的氮气下对样品退火5分钟以激活掺杂剂。在进行光致发光测量之前，蚀刻样品以去除表面附近的 SiO₂ 帽和镁分离层。

40K 的光致发光测量产生了几个峰，包括与中性镁受主结合激子 (ABE) 和自由激子 (FE) 相关的峰。请参见图 1（在本文顶部），其中还显示了中性施主束缚激子 (DBE)。

图 2. 根据幂律，可以通过确定中性镁受主结合激子峰强度与自由激子峰强度的比值来提取镁掺杂水平用于光致发光测量

通过二次离子质谱法测量，这两个峰的强度比与镁浓度具有幂律相关性。参见上图 2。

该团队建立的幂律也可用于确定 LED、激光二极管和 HEMT 中的 p 掺杂水平。 “然而，这些器件具有较高的杂质浓度，相对容易用电测量，所以我的技术可能没有那么有用，”Omori 说。

据他介绍，该团队的下一个目标之一是为其他杂质（如硅施主）创建校准曲线。 “此外，由于 GaN 的离子注入技术尚未建立，我正在考虑将我的技术应用于GaN的开发。”

参考资料

M. Omori et al. Appl. Phys. Express 14 051002 (2021)