GaN厚膜中的質子輻照誘生缺陷研究*

張明蘭 楊瑞霞 李卓昕 曹興忠王寶義王曉暉

1)(河北工業大學信息工程學院，天津 300401)

2)(中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室，北京 100083)

3)(中國科學院高能物理研究所核分析技術重點實驗室，北京 100049)

(2012年12月17日收到;2013年1月25日收到修改稿)

1 引言

氮化鎵(GaN)屬于直接帶隙半導體材料，禁帶寬度大、耐高溫、抗腐蝕，是制備高性能光、電器件的理想材料.由于抗輻射能力強，GaN基器件可以用于外太空、石油鉆井平臺等高溫、強輻射環境中.隨著研究工作的不斷深入，材料生長技術日趨成熟，器件制備也取得了突破性的進展，并且在相關領域得到了應用.外太空中普遍存在的宇宙射線、高能質子、電子、γ射線等對器件的可靠性構成了嚴重威脅.近年，國際上一些主要的研究機構紛紛開展了GaN基材料和器件的輻照效應研究，如位于俄亥俄州的美國空軍研究所[1]和俄亥俄州立大學自2005年就開始研究GaN基器件的輻照效應、日本法政大學的Kuriyama小組[2]致力于GaN基材料的中子輻照效應研究、俄羅斯稀土金屬研究所的Polyakov小組[3]也是最早開展此類研究的機構之一.本文作者在國內最早開展了GaN基材料的中子輻照效應研究[4].質子作為范·艾倫帶的主要成分，是半導體器件在外太空中面臨的主要威脅之一，質子與GaN材料的作用包括電離過程和位移過程，前者屬于瞬時過程，后者會在材料中形成晶格缺陷，屬于永久性損傷，是引起半導體器件性能退化的主要因素，研究GaN材料的質子輻照效應，對提高器件的抗輻射能力具有重要意義.

正電子湮沒譜對材料結構和空位型缺陷非常敏感，屬于無損傷測試技術，通過測試材料正電子壽命的變化情況，可以得到材料結構、缺陷類型和濃度等重要信息[5].由于GaN材料中Ga，N的位移閾能都比較大，質子輻照在材料中主要產生點缺陷，如空位或空位團.本文采用常規正電子湮沒壽命譜研究HVPE方法生長的GaN厚膜中質子輻照誘生缺陷，在10K低溫下測試樣品的光致發光譜(PL)，研究質子輻照對缺陷發光特性產生的影響，通過雙晶XRD測試研究輻照前后晶格完整性的變化情況.

2 實驗部分

實驗中使用的n型非故意摻雜GaN樣品是在C面藍寶石襯底上用氫化物氣相外延(hydride vapour phase epitaxy，HVPE)設備生長的，生長過程以N2作為載氣，生長區溫度控制在1050°C左右，總厚度約60μm.樣品的Hall遷移率約95 cm2/V·s，背景電子濃度接近1019cm-3.

質子輻照實驗是在北京大學核物理與核技術國家重點實驗室進行的.圖1是用SRIM軟件模擬得到的質子在GaN中的射程與入射能量的關系，隨著入射能量增大，射程近似線性增長.考慮到實際的GaN基器件有效厚度通常都只有幾個μm，如藍寶石襯底上AlGaN/GaN HEMT有效厚度僅3μm左右，而外太空中同步衛星軌道附近的質子能量通常大于4 MeV，由圖1可知，其射程遠遠超出了器件的有效厚度，為了更真實地反映器件中的實際情況，我們在實驗中使用的質子能量是5 MeV，這樣可以保證60μm厚的GaN受到均勻的輻照，實驗是在室溫下進行的.文中將未輻照、注量為1012cm-2和5×1012cm-2的樣品依次標為A，B，C.

圖1 GaN中入射質子能量與射程的關系

正電子湮沒壽命譜測試是在中科院高能物理所自建的快-慢符合常規正電子壽命譜儀上進行的，該譜儀的正電子源是以Kapton薄膜為襯底的22Na，源強約0.5×106Bp，時間分辨率約196 ps，每個譜累積計數2×106.根據下式可以計算出正電子在材料中的入射深度：

式中a是正電子平均射程的倒數(cm-1)，Emax是正電子的最大能量(MeV)，ρ是靶材料的體密度(g·cm-3).GaN 的體密度約為 6.1 g/cm3，22Na源發出的正電子最大能量為0.545 MeV，代入(1)式可得正電子在GaN中的最大入射深度為43.8μm，小于薄膜厚度60μm，所以質子輻照產生的缺陷在正電子可以探測的范圍之內.

3 結果與討論

理想的正電子壽命譜可以分解為多個指數成分，每個指數成分對應一種俘獲中心，通過對壽命譜解譜，可以得到各個俘獲中心的壽命值[5]，本實驗中使用的解譜軟件為國際通用的軟件包Lifetime 9.0，采用三壽命自由擬合方法，扣除源成分：382 ps，擬合結果如表 1 所示，τ1，τ2，τ3表示 3 個壽命成分，I1，I2，I3分別是它們各自對應的強度.

表1 正電子壽命譜解譜結果

室溫下，GaN材料的體壽命實驗值τb=160 ps，理論計算值為 131 ps[6]，表 1中缺陷壽命τ2的值均大于體壽命，并且隨著質子注量有所增大.在化合物半導體中，缺陷壽命和體壽命的比值是確定材料中缺陷類型的依據[7]，樣品 A中1.1＜τ2/τb=1.12＜1.3，說明未經輻照的GaN樣品中存在單空位.研究表明：在HVPE方法生長的GaN中，VGa-ON復合缺陷的形成能遠小于孤立VGa的形成能，所以VGa通常以VGaON復合缺陷的形式存在，并且這種復合型缺陷會大量聚集在刃位錯周圍[8]，這說明樣品A中測得的缺陷壽命τ2是VGaON復合缺陷的壽命.經質子輻照后，B和C中的缺陷壽命明顯增大，τ2/τb依次上升為1.25和1.26，但其數值仍小于1.3，說明輻照誘生缺陷也是單空位，沒有雙空位或更大的空位團形成.質子與GaN作用后形成的單空位主要是VGa和VN，其中VN帶正電，不能俘獲正電子，而VGa是帶負電的施主態，所以能俘獲正電子的一定是VGa.表1中的缺陷壽命τ2與文獻報道的孤立VGa壽命的理論值非常接近，但小于實驗值(235±5 ps)[6]，我們認為在輻照后的GaN樣品中，除了位移過程中產生孤立的VGa充當正電子俘獲中心之外，樣品中固有的VGaON復合缺陷形成了另外一部分俘獲中心，后者的壽命小于前者，τ2是這兩種俘獲的平均效果，所以實驗中得到的壽命值小于孤立VGa的壽命.由文獻[5]可知：半導體材料的正電子壽命不會超過500 ps，而τ3遠大于這個值，說明材料中形成了電子偶素.

圖2是10 K低溫下測得樣品的PL譜，在3.47 eV左右出現了尖銳的帶邊發光峰，插圖中是歸一化處理之后的帶邊峰，顯然，質子輻照后，帶邊峰出現了明顯的“藍移”，Wang等人在中子輻照后的GaN中也觀察到了類似的現象[9]，關于這一現象的起因目前還沒有明確的解釋.以2.2 eV為中心出現的是黃光帶，長期以來，相當一部分研究者認為VGa或者由它構成的復合缺陷就是產生黃光帶的缺陷中心，Saarinen等人還曾經在黃光帶的發光強度和VGa濃度之間建立起了線性關系[10].但不久之后，Armitage等人就通過實驗發現[11]：在VGa濃度極低的C摻雜半絕緣GaN樣品中存在很強的黃光帶，這說明黃光帶不是VGa產生的，結合Ogino等人關于黃光帶起源的假設[12]，Armitage認為光黃帶是由C雜質缺陷產生的，Lyons等人通過理論計算進一步證實了上述實驗結論正確性[13].從圖2可知，無論質子輻照前后，樣品的PL譜中都存在黃光帶，從前文的正電子壽命分析結果知道：在質子輻照后的GaN樣品中出現了大量VGa，如果黃光帶的起源是與VGa相關的，那么輻照后黃光帶應該增強，實際情況則與此相反，說明Armitag等人的假設是成立的，黃光帶與VGa之間不存在必然的聯系，它應該與C雜質缺陷是相關的.GaN材料中縱向光學支聲子(LO)的能量約92 meV，所以3.39 eV附近出現的發光峰是自由激子峰(3.482 eV)的1級聲子伴線;3.29 eV對應的是淺施主-受主對(DAP)躍遷產生的發光峰，3.2 eV和3.12 eV附近出現的是該發光峰的第1和第2級LO聲子伴線[14].這些譜線和黃光帶除了發光強度略有變化之外，發光峰的位置在輻照前后基本上保持不變，說明質子輻照對樣品中固有缺陷的影響很小，只是由于輻照誘生的非輻射復合中心增多，固有缺陷的發光強度減弱了.

圖3是樣品(0002)面的雙晶XRD ω-2θ聯動掃描曲線，該曲線的半峰寬與材料中的缺陷和晶體質量密切相關，從圖中可以看出：質子輻照后，樣品(0002)面的衍射峰半峰寬明顯增大，其數值依次為505，660，695 arcsec，說明質子輻照誘生缺陷破壞了晶格的完整性，導致薄膜晶體質量下降.

圖2 低溫PL譜(測試溫度10 K)

圖3 (0002)面ω-2θ聯動掃描曲線

4 結論

用能量為5MeV的質子對HVPE方法生長的GaN厚膜進行了輻照，正電子湮沒壽命譜分析結果顯示：輻照誘生缺陷以VGa構成的單空位為主，沒有雙空位或空位團形成.低溫PL譜中黃光帶的發光強度在輻照后減弱，意味著VGa不是產生黃光帶的缺陷中心，除了帶邊峰出現“藍移”之外，黃光帶和其他LO聲子伴線的位置在輻照前后沒有變化，說明輻照對GaN厚膜中固有缺陷沒有產生影響，輻照誘生的非輻射復合中心使固有缺陷的發光強度下降.輻照后樣品的(0002)面XRD衍射峰的半高寬明顯增大，薄膜晶體質量變差.

感謝北京大學核物理與核技術國家重點實驗室開放課題對研究工作的支持.

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