Belysning af uønskede urenheders rolle i galliumnitrid-halvledere

Halvlederindustrien og stort set al elektronik i dag er domineret af silicium. I transistorer, computerchips, og solceller, silicium har været en standardkomponent i årtier. Men alt dette kan ændre sig snart, med galliumnitrid (GaN) fremstår som en kraftfuld, endda overlegen, alternativ. Selvom det ikke er særlig kendt, GaN-halvledere har været på elektronikmarkedet siden 1990'erne og bruges ofte i kraftelektroniske enheder på grund af deres relativt større båndgab end silicium - et aspekt, der gør det til en bedre kandidat til højspændings- og højtemperaturapplikationer. I øvrigt, strømmen går hurtigere gennem GaN, hvilket sikrer færre koblingstab under skift af applikationer.

Ikke alt ved GaN er perfekt, imidlertid. Mens urenheder normalt er ønskelige i halvledere, uønskede urenheder kan ofte forringe deres ydeevne. I GaN, urenheder såsom kulstofatomer fører ofte til dårligere omskiftningsydelse på grund af indfangning af ladningsbærere i 'dybe niveauer, 'energiniveauer skabt af urenhedsdefekterne i GaN -krystallagene og antages at stamme fra tilstedeværelsen af ​​en kulstofrenhed på et nitrogensted.

En mærkelig eksperimentel manifestation af dybe niveauer er forekomsten af ​​en langvarig gul luminescens i fotoluminescensspektret af GaN sammen med en lang ladningsbærer-rekombinationstid rapporteret af karakteriseringsteknikker som tidsopløst fotoluminescens (TR-PL) og mikrobølgefotokonduktivitetsforfald ( μ-PCD). Imidlertid, mekanismen bag denne levetid er uklar.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Journal of Applied Physics forskere fra Japan undersøgte effekten af ​​dybe niveauer på den gule luminescens henfaldstid og bærerrekombination ved at observere, hvordan TR-PL og μ-PCD-signalerne ændrede sig med temperaturen. "Først efter at have forstået virkningerne af urenheder i GaN power-halvlederenheder kan vi presse på for udviklingen af ​​urenhedskontrolteknologier i GaN-krystalvækst, " siger prof. Masashi Kato fra Nagoya Institute of Technology, Japan, der ledede undersøgelsen.

Forskerne forberedte to prøver af GaN-lag dyrket på GaN-substrater, den ene dopet med silicium og den anden med jern. Den utilsigtede doping af kulstofurenheder skete under siliciumdopingprocessen. For TR-PL målingerne, holdet registrerede signaler for temperaturer op til 350°C, mens for μ-PCD op til 250°C på grund af systembegrænsninger. De brugte en 1 nanosekund lang UV-laserpuls til at ophidse prøverne og målte refleksion af mikrobølger fra prøverne til μ-PCD.

TR-PL-signalerne for begge prøver viste en langsommere (henfalds-) komponent med en henfaldstid på 0,2-0,4 millisekunder. Derudover brugen af ​​et langpasfilter med en cut-off ved 461 nm bekræftede, at gult lys var involveret. I begge prøver, og for både TR-PL og μ-PCD målinger, henfaldstiden faldt over 200 ° C, i overensstemmelse med tidligere rapporter.

For at forklare disse resultater, forskerne tyede til numeriske beregninger, som afslørede, at de dybe niveauer i det væsentlige fangede "huller" (fravær af elektroner), der til sidst rekombinerede med frie elektroner, men som tog lang tid at gøre det på grund af den ekstremt lille chance for, at en elektron blev fanget af det dybe niveau. Imidlertid, ved høje temperaturer, hullerne formåede at flygte fra fælden og rekombinerede med elektronerne gennem en meget hurtigere rekombinationskanal, forklarer faldet i henfaldstid.

"For at reducere virkningerne af den langsomme henfaldskomponent, vi skal enten opretholde en lav kulstofkoncentration eller vedtage enhedsstrukturer med undertrykte hulinjektioner, " siger prof. Kato.

Med disse indsigter, det er måske kun et spørgsmål om tid, før videnskabsmænd finder ud af, hvordan de kan undgå disse faldgruber. Men med GaNs magtovertagelse, bliver det bare bedre elektronik?

Prof. Kato mener noget andet. "GaN muliggør lavere strømtab i elektroniske enheder og sparer derfor energi. Jeg tror, ​​det kan gå langt med at afbøde drivhuseffekter og klimaforandringer, " konkluderer han optimistisk. Disse fund om urenheder kan således være det, der fører os til en renser, grønnere fremtid!