Obliczenia potwierdzają niską dyfuzję krzemu w GaN

Implantacja jonowa jest od wielu lat wykorzystywana w przemyśle półprzewodnikowym jako precyzyjna metoda domieszkowania materiałów. Obecnie technologia ta znajduje coraz większe zastosowanie również w azotku galu (GaN) – materiale o kluczowym znaczeniu dla nowoczesnej energoelektroniki i optoelektroniki. Głównym wyzwaniem pozostają jednak uszkodzenia sieci krystalicznej powstające podczas implantacji. Ich usunięcie wymaga wygrzewania w wysokiej temperaturze, co w przypadku GaN jest utrudnione przez jego skłonność do rozkładu. Problem ten rozwiązuje wygrzewanie pod ultrawysokim ciśnieniem azotu (ang, UHPA - ultra-high-pressure annealing), które pozwala jednocześnie regenerować strukturę materiału i aktywować wprowadzone domieszki.

W nowo opublikowanej pracy przedstawiono wyniki badań nad azotkiem galu domieszkowanym krzemem, łączące obliczenia oparte na teorii funkcjonału gęstości (DFT) z eksperymentami wykorzystującymi dyfrakcję rentgenowską (XRD) oraz spektrometrię mas jonów wtórnych (SIMS). Implantacja jonów krzemu, a następnie wygrzewanie pod ultrawysokim ciśnieniem (UHPA) w temperaturze 1450°C i pod ciśnieniem 1 GPa, pozwoliły na skuteczną odbudowę struktury krystalicznej materiału, co potwierdziły pomiary XRD. Analiza profili zawartości krzemu metodą SIMS wykazała bardzo ograniczoną dyfuzję tej domieszki w GaN nawet w tak ekstremalnych warunkach. Jest to wynik szczególnie interesujący w zestawieniu z magnezem, dla którego w analogicznych warunkach UHPA obserwowano znacznie większą mobilność oraz wyraźną redystrybucję domieszki w materiale. 

Zaobserwowana stabilność krzemu znajduje potwierdzenie w obliczeniach teoretycznych DFT, które wykazały również silną anizotropię jego dyfuzji. Najniższą barierę migracji, wynoszącą około 3,2 eV, wyznaczono dla kierunku [11-20], natomiast najwyższą, sięgającą 9,9 eV, dla kierunku [1-100], co praktycznie uniemożliwia dyfuzję w tym kierunku. Dodatkowo obliczenia fononowe wykazały, że wpływ temperatury na obniżenie efektywnych barier dyfuzji jest niewielki, co tłumaczy obserwowaną eksperymentalnie wysoką stabilność profili domieszkowania krzemem w GaN.

Otrzymane wyniki potwierdzają wysoką stabilność profili domieszkowania krzemem w GaN, co ma istotne znaczenie dla projektowania niezawodnych przyrządów elektronicznych i optoelektronicznych nowej generacji.

Więcej informacji można znaleźć w artykule: Limited diffusion of silicon in GaN: A DFT study supported by experimental evidence, Karol Kawka, Paweł Kempisty, Akira Kusaba, Krzysztof Golyga, Karol Pożyczka, Michał Fijałkowski oraz Michał Boćkowski. https://doi.org/10.1063/5.0325...