| Title: | Implantacja akceptorów w intencjonalnie niedomieszkowane warstwy GaN wzrastane metodą HVPE - struktury będące podstawą wertykalnych tranzystorów wysokich mocy |
| Project leader: | Michał Boćkowski |
| Laboratory: | Crystal Growth Laboratory (NL-3) |
| Call/Programme name: | OPUS |
| Project number: | 2018/29/B/ST5/00338 |
| Implementation date: | 01.09.2019 31.12.2022 |
| Implementing entity: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Implementation type: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Total funding granted: | 1 495 125 zł |
| Funding for the entity: | 1 495 125 zł |
| Funding institution: | Narodowe Centrum Nauki |
Project description
| Półprzewodniki azotkowe, azotek galu (GaN), azotek indu (InN) i azotek glinu (AlN) oraz ich stopy AlInGaN, znane są z zastosowań w elektronice oraz optoelektronice. Większość urządzeń opartych o półprzewodniki azotkowe budowana jest na obcych podłożach (szafir, krzem, węglik krzemu) pokrytych cienkimi (od kilkuset nanometrów do kilku mikrometrów) warstwami azotków (tzw. templates). Coraz częściej mówi się o zastępowaniu obcych podłoży podłożami z GaN, szczególnie przy budowie tranzystorów wertykalnych wysokiej mocy. Są to urządzenia, które ze względu na swoją architekturę muszą być budowane na rodzimych (azotkowych) podłożach o niezwykle wysokiej jakości strukturalnej. Polska jest jednym z liderów w wytwarzaniu wysokiej jakości kryształów i podłoży GaN. Pierwsze w świecie monokryształy GaN o niskiej gęstości defektów wytwarzane były w latach 90-tych ubiegłego stulecia w warunkach wysokich ciśnień i temperatur, metodą krystalizacji z roztworu atomowego azotu w galu (high nitrogen pressure solution growth; HNPS) w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk (IWC PAN). W pierwszej dekadzie XXI wieku pojawiły się podłoża z azotku galu o bardzo wysokiej jakości strukturalnej z polskiej firmy Ammono, otrzymywane metodą amonotermalną. W tym czasie IWC PAN, obok metody HNPS, rozwijało metodę krystalizacji GaN z fazy gazowej, HVPE (hydride vapor phase epitaxy). Połączenie metody amonotermalnej z metodą HVPE pozwoliło uzyskać kryształy GaN, otrzymywane metodą HVPE, o bardzo wysokiej jakości strukturalnej i wysokiej czystości. Zauważono, że metoda wzrostu GaN z fazy gazowej, HVPE, nie musi wyłącznie służyć do krystalizacji objętościowych kryształów azotku galu. Można jej również użyć do krystalizacji cienkich (do 200 µm) warstw GaN o wysokiej czystości i niskiej koncentracji nośników swobodnych (donorów). Takie warstwy, osadzane na podłożach GaN o wysokiej jakości strukturalnej i wysokiej koncentracji nośników swobodnych (elektronów), stanowią podstawę struktur tranzystorów wertykalnych. W przypadku właśnie tych tranzystorów wartość ich napięcia przebicia jest, między innymi, funkcją grubości warstwy, tzw. warstwy dryfu nośników, osadzonej na przewodzącym podłożu. Tym samym, HVPE staje się podstawową technologią krystalizacji takich warstw. Jest to bowiem technika pozwalająca na wzrost czystego GaN z relatywnie dużą prędkością, ok. 100 µm/h. Żadna inna technika epitaksjalna nie zapewnia krystalizacji w takim tempie. Czyni to technologię HVPE podstawową dla budowy struktur tranzystorowych (w szczególności obszaru dryfu nośników) o napięciach przebicia przekraczających kilka, czy kilkanaście kV. W tranzystorze warstwy dryfu powinny mieć na swojej powierzchni nieprzewodzące obszary GaN (tzw. materiał pół-izolujący) lub obszary, w którym nośnikiem nie jest elektron, a puste miejsce po nim, tzw. dziura. Mówi się wtedy o obszarach typu p. Takie obszary można uzyskać implantując akceptory (np. magnez) do GaN. Proces implantacji czyni jednak zniszczenia w sieci krystalicznej półprzewodnika. Zniszczenia te można usunąć poprzez właściwe wygrzewanie implantowanych warstw w wysokich temperaturach. Głównym celem niniejszego Projektu jest zbadanie procesu implantacji akceptorów takich jak magnez, beryl, cynk w nieintencjonalnie domieszkowane cienkie warstwy (od 10 do 100 µm) azotku galu wykrystalizowane na podłożach GaN metodą HVPE. Wzrastane warstwy powinny być wysokiej czystości, o niskiej koncentracji nośników swobodnych oraz wysokiej jakości strukturalnej. Proces implantacji powinien zapewnić wbudowanie się na powierzchni warstw akceptorów o wysokich koncentracjach (~1019 cm-3) na głębokość kilkuset nanometrów. Określenie podstawowych parametrów wzrostu warstw oraz ich implantowania akceptorami jest pierwszym celem Projektu. Zniszczenia poimplantacyjne usuwane będą w procesie wygrzewania wysokotemperaturowego (1400-1480°C) w warunkach wysokiego ciśnienia azotu (1 GPa). Wyznaczenie podstawowych parametrów strukturalnych, optycznych i elektrycznych zaimplantowanych akceptorami i wygrzanych warstw GaN stanowi główne zadanie Projektu. Otrzymanie obszarów typu p na powierzchni warstw GaN będzie jego wymiernym sukcesem. Przewiduje się wprowadzenie procesu ko-implantacji azotem implantowanych akceptorami warstw GaN. Proces ko-implantacji powinien zapobiec tworzeniu się luk azotowych (puste miejsca w sieci krystalicznej) w GaN. Luki azotowe tworzą pasmo donorów i chętnie formują się podczas otrzymywania materiału typu p (implantacja akceptorami). Na skutek procesu kompensacji nośników luki azotowe mogą przeciwdziałać uzyskaniu materiału typu p. |