Analisis Reflektansi Inframerah dari Lapisan GaN Doped Tipe-n Epitaxial yang Ditumbuhkan pada Safir

Hasil dan Diskusi

Gambar SEM (Gbr. 2) menunjukkan penampang terukir foto n ⁺ /n₀ /n ⁺ Struktur -GaN ditumbuhkan pada substrat GaN-buffer/GaN-template/sapphire, di mana enam lapisan berbeda terlihat jelas, yaitu lima lapisan GaN dengan konsentrasi pembawa dan substrat safir yang berbeda. Perlu dicatat bahwa ketebalan keseluruhan struktur GaN yang diselidiki yang diukur dengan SEM sesuai dengan yang teknologi, dan lapisan GaN yang diamati menurut Gambar 1 dapat secara tentatif dikaitkan dengan n ⁺ wilayah (lapisan 1), tidak didoping n₀ wilayah (lapisan 2), bagian bawah didoping Si n ⁺ region (layer 3), buffer GaN yang tidak didoping (layer 4), dan template GaN.

Gambar SEM penampang n ⁺ . yang diselidiki /n₀ /n ⁺ struktur -GaN. Pola garis vertikal yang tidak beraturan terbentuk selama pembelahan (yaitu, sebelum foto-etsa) dan merupakan karakteristik untuk belahan Al₂ yang tidak dipoles. O₃ /GaN hetero-struktur. Lapisan piramidal kasar (lubang kecil ) pada template safir/GaN yang ditunjukkan oleh panah terungkap dengan foto-etsa

Selanjutnya, untuk mendapatkan wawasan yang lebih dalam tentang tingkat pengotor/doping sampel yang diselidiki, pengukuran SIMS dilakukan. Profil SIMS yang diperoleh (Gbr. 3) berkorelasi baik dengan ketebalan nominal lapisan GaN dan ketebalan keseluruhan struktur multilayer yang dipelajari. Semua elemen yang diperiksa (H, C, O, Si) berada di atas batas deteksi (3 hingga 5 × 10 ¹⁶ di/cm ³ ) dari teknik SIMS.

Profil elemen pengotor dari n ⁺ . yang diselidiki /n₀ /n ⁺ -Struktur GaN diukur dengan SIMS dari permukaan sampel

Profil doping Si intensional secara umum sesuai dengan profil doping nominal dengan konsentrasi sekitar 2,8 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ di bagian atas dan bawah yang didoping n ⁺ wilayah dan sekitar 2,3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ di n₀ . yang tidak didoping wilayah. Namun, seperti yang terlihat dari data SIMS, terdapat juga lapisan delta tipis (<50 nm) dengan konsentrasi Si sebesar 1,1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ antara buffer GaN dan template GaN. Perlu dicatat bahwa lapisan delta yang didoping Si juga mengandung konsentrasi oksigen yang tidak disengaja dan pengotor karbon yang lebih tinggi yaitu 2,4 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ dan 1,4 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , sesuai. Lapisan delta ini terkait dengan antarmuka pertumbuhan kembali homoepitaksial, yang biasanya muncul dari kontaminasi template GaN dengan pengotor O, Si, dan C, yang diserap dari atmosfer dalam proses teknologi pemuatan atau pada awal pertumbuhan kembali [25, 26].

Seperti dibahas di atas, analisis penampang SEM dan SIMS memberikan struktur lapisan GaN, yang berbeda dari parameter nominal dengan menarik wilayah GaN tambahan, tetapi dengan ketebalan keseluruhan sesuai dengan yang nominal. Untuk memperjelas pengaruh lapisan delta GaN tambahan yang ditemukan di atas pada spektrum reflektansi IR dari struktur yang diselidiki, simulasi spektrum eksperimental dilakukan dengan membangun model yang terdiri dari enam lapisan, yang sesuai dengan parameter teknologi nominal, gambar SEM ( Gambar. 1), dan tujuh lapisan menurut SIMS. Spektrum yang dihitung berdasarkan model yang dijelaskan di atas diberikan pada Gambar 4.

Simulasi spektrum reflektansi IR dengan jumlah lapisan yang berbeda. Spektrum eksperimental dari n ⁺ . yang diselidiki /n₀ /n ⁺ -Struktur GaN ditunjukkan oleh garis padat . a wilayah Reststrahlen. b Spektrum yang diperbesar dalam kisaran di atas 750 cm ⁻¹

Seperti dapat dilihat dari Gambar. 4, berdasarkan model tujuh lapis profil SIMS memberikan perkiraan terbaik dari spektrum reflektansi IR eksperimental. Dengan demikian, simulasi dan analisis lebih lanjut dilakukan menggunakan model ini yang memiliki parameter yang dimodifikasi, dibandingkan dengan parameter teknologi nominal (Gbr. 1), dan yang menjelaskan lapisan tambahan antara lapisan buffer teknologi GaN dan template GaN (Gbr. 5).

Model 7-lapisan yang digunakan untuk mensimulasikan spektrum reflektansi IR dari n ⁺ yang diselidiki /n₀ /n ⁺ struktur -GaN. Lapisan tambahan (hijau ) adalah lapisan antarmuka tipis antara template GaN dan lapisan GaN yang diselidiki

Gambar 6 menunjukkan s teoritis eksperimental dan pas -spektra reflektansi terpolarisasi dari struktur yang diselidiki pada sudut datang 11°. Spektrum yang dihitung didasarkan pada model yang dijelaskan di atas (Gbr. 5). Dispersi indeks bias kompleks untuk lapisan GaN dan substrat safir ditentukan menggunakan Persamaan. (5). Substrat safir dianggap semi-tak terbatas, yang memungkinkan mengabaikan pantulan internal di dalam substrat dan dari bagian belakang yang tidak dipoles. Struktur rumit yang diamati di wilayah reststrahlen spektrum disebabkan oleh kombinasi tumpang tindih GaN dan Al₂ O₃ pita reststrahlen bersama dengan efek interferensi. Perbandingan data ini dengan spektrum yang dihitung tidak hanya dapat memberikan informasi ketebalan pada berbagai lapisan sampel, tetapi juga dapat membantu menginterpretasikan struktur rumit daerah reststrahlen dalam kaitannya dengan kontribusi berbagai bahan.

Eksperimental (garis padat ) dan paling sesuai dihitung (garis putus-putus ) spektrum reflektansi IR dari n ⁺ /n₀ /n ⁺ -Struktur GaN ditumbuhkan pada GaN-template/Al₂ O₃ . a wilayah Reststrahlen. b Wilayah interferensi

Penentuan ketebalan lapisan dari perbandingan data reflektansi dengan spektrum yang dihitung adalah proses dua langkah [27]. Pertama, pinggiran di wilayah transparan di atas pita reststrahlen (ω > 1200 cm ⁻¹ ) disebabkan oleh efek interferensi pada lapisan struktur multi-lapisan. Dengan cara ini, ketebalan keseluruhan dari struktur yang diselidiki, yang merupakan jumlah dari semua lapisan, dapat diperkirakan.

Setelah ketebalan tumpukan diketahui, ketebalan individu dari setiap lapisan dapat ditentukan dengan menyesuaikan spektrum yang dihitung dengan efek interferensi di wilayah reststrahlen spektrum. Ketebalan lapisan divariasikan dengan memperhitungkan ketebalan keseluruhan yang telah ditentukan sebelumnya. Di bawah batasan ini, pemantulan di atas 1200 cm ⁻¹ tidak berubah secara signifikan. Efek interferensi di wilayah reststrahlen dapat dibedakan dari fitur lain seperti mode getaran TO dan LO berdasarkan fakta bahwa pinggiran interferensi bergeser posisinya karena ketebalan lapisan bervariasi [28].

Selama pendekatan spektrum eksperimental di wilayah reststrahlen, parameter model berikut divariasikan:parameter redaman γ_LO dan _TO untuk E ₁ (LO) dan E ₁ (TO) mode fonon; frekuensi plasma ω _p ; parameter redaman plasmon γ _p ; dan ketebalan lapisan. Perlu dicatat, bahwa hanya E ₁ fonon simetri adalah IR aktif di s -polarisasi [9]. Frekuensi awal E ₁ (LO) dan E ₁ (TO) fonon untuk GaN dan substrat safir diambil dari percobaan reflektansi IR [29] dan hamburan Raman [6, 14]. Nilai umum frekuensi fonon GaN adalah ω_TO = 560 cm ⁻¹ dan _LO = 740 cm ⁻¹ . Frekuensi fonon untuk setiap lapisan disempurnakan dalam proses pemasangan. Parameter yang paling pas diperoleh dengan batang kesalahan diberikan pada Tabel 1. Perlu dicatat bahwa ketebalan lapisan yang diperoleh dalam proses pemasangan sesuai dengan data SEM.

Mengacu pada Gambar 6a, puncak reflektansi pada ~450 cm ⁻¹ dapat dikaitkan dengan substrat safir. Fitur yang diamati dalam kisaran 500–740 cm ⁻¹ disebabkan oleh kombinasi fitur yang tumpang tindih dari lapisan GaN dan pita reststrahlen safir. Untuk analisis yang lebih dalam, spektrum reflektansi IR dari GaN curah dan lapisan GaN setebal 6,78 m pada safir, dengan ketebalan GaN yang sesuai dengan ketebalan keseluruhan struktur yang diselidiki, disimulasikan di wilayah pita reststrahlen (Gbr. 7) . Seperti terlihat pada Gambar 7, spektrum reflektansi lapisan GaN setebal 6,78 pada safir dan GaN curah dalam kisaran 500–740 cm ⁻¹ mirip dengan spektrum eksperimental. Fitur kecil di ~511 cm ⁻¹ dikaitkan dengan substrat safir. Perlu disebutkan bahwa pada ~736 cm ⁻¹ , ada penurunan lemah yang sesuai dengan A ₁ (LO) mode template GaN. Menurut aturan seleksi, A ₁ (LO) mode dilarang di s -spektra IR terpolarisasi [9]. Alasan yang mungkin untuk pendaftaran mode terlarang ini adalah kebocoran polarisasi karena bukaan aksesori reflektansi serta mikroinhomogenitas struktur kristal GaN. Secara khusus, ini dapat disebabkan oleh kemiringan c -sumbu struktur wurtzite seperti kolom GaN dari arah tegak lurus terhadap bidang pertumbuhan film. Mode ini tidak diperhitungkan dalam pemodelan kami karena pengaruhnya yang lemah pada spektrum yang dihasilkan. Fitur dalam kisaran 750–1200 cm ⁻¹ adalah karena tumpang tindih GaN:Si dan pita reststrahlen safir dan efek antarmuka. Penurunan pada ~775 cm ⁻¹ terkait dengan efek antarmuka di tepi pita reststrahlen dari lapisan GaN dan safir. Kemiringan lebar pada ~825 cm ⁻¹ dikaitkan dengan tumpang tindih cabang frekuensi tinggi dari mode berpasangan plasmon-LO-phonon (LPP ⁺ ) dari n ⁺ lapisan.

Eksperimental (garis padat ) spektrum reflektansi IR dari n ⁺ . yang diselidiki /n₀ /n ⁺ Struktur -GaN dan spektrum reflektansi terhitung dari lapisan GaN setebal 6,78 m pada safir (garis putus-putus ) dan GaN massal (garis putus-putus )

Gambar 8 menunjukkan bagian imajiner yang dihitung dari fungsi kehilangan energi untuk setiap lapisan menurut parameter osilator yang diberikan pada Tabel 1 untuk estimasi E ₁ -LOPC mode. Seperti dapat dilihat, cabang frekuensi tinggi dari mode LOPC (LPP ⁺ ) pada konsentrasi pembawa lebih rendah dari 10 ¹⁷ cm ⁻³ (n₀ lapisan dan template) hampir bersamaan dengan E ₁ (LO) mode fonon. Peningkatan konsentrasi pembawa dalam kisaran 2 × 10 ¹⁷ –3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ (Gbr. 5) menyebabkan pergeseran frekuensi tinggi yang signifikan dan perluasan LPP ⁺ cabang, yang menunjukkan peningkatan interaksi antara LO fonon dan plasmon dan penurunan mobilitas pembawa muatan. Perilaku LPP ini ⁺ cabang setuju dengan data eksperimen pada reflektansi IR dari film GaN yang didoping Si yang ditumbuhkan pada safir oleh Z.F. Li dkk. [30], dan pengukuran Raman di GaN massal [10] dan lapisan epitaxial [31]. Perlu dicatat bahwa LPP frekuensi rendah ⁻ cabang LOPC tidak dapat didefinisikan secara andal dalam kasus kami, karena s -spektra reflektansi IR terpolarisasi tidak diukur dalam rentang frekuensi rendah di bawah 300 cm ⁻¹ .

Bagian imajiner yang dihitung dari fungsi dielektrik yang diperoleh untuk setiap lapisan GaN yang dianalisis dari analisis data yang paling sesuai

Nilai konsentrasi pembawa dan mobilitas yang tercantum pada Tabel 2 dihitung menggunakan Persamaan. (8) dan (9) dengan massa efektif elektron m* sebesar 0,2 m₀ [32]. Dapat dilihat, bahwa profil konsentrasi pembawa yang dihitung mirip dengan profil konsentrasi pengotor Si yang diperoleh dengan pengukuran SIMS (Gbr. 3), tetapi dengan urutan besarnya konsentrasi pembawa yang lebih rendah dibandingkan dengan konsentrasi pengotor Si. Perbedaan tersebut dalam konsentrasi pembawa dan pengotor doping diamati sebelumnya oleh M. Bockowski et al. [33], dan terkait dengan efek kompensasi oleh negara akseptor (kemungkinan oleh kekosongan galium), energi formasi yang lebih rendah dengan meningkatnya doping tipe-n [34]. Harus disebutkan, bahwa konsentrasi pembawa untuk n ⁺ lapisan dalam urutan ~10 ¹⁸ cm ⁻³ sesuai dengan hasil studi Raman kami tentang struktur GaN serupa berdasarkan analisis mode LOPC [6]. Penurunan mobilitas pembawa yang diperoleh dengan konsentrasi pembawa juga sesuai dengan eksperimen Hall di GaN [35] dan pemodelan teoretis [36].

Nilai permitivitas dielektrik frekuensi tinggi _∞ ditemukan berada di kisaran 4,99-5,35 (Tabel 1). Peningkatan _∞ untuk n ⁺ . yang didoping lapisan dibandingkan dengan n₀ lapisan dapat dikaitkan dengan pergeseran merah dari celah pita -GaN [37]. Perlu diperhatikan bahwa nilai _∞ dapat ditentukan dengan kesalahan yang relatif kecil hanya untuk film dengan konduktif rendah. Akurasi dalam penentuan _∞ menurun dengan konsentrasi pembawa, yang terkait dengan fakta bahwa _∞ parameter menyumbang batas "frekuensi tinggi" ketika fungsi model dielektrik diekstrapolasi ke bilangan gelombang yang lebih pendek daripada yang dipelajari di sini [11]. Rentang spektrum lebar 300–4000 cm ⁻¹ dianalisis untuk mengurangi kesalahan dalam penentuan _∞ dan parameter lain yang terlibat dalam pemodelan spektrum reflektansi IR n ⁺ lapisan.