贯穿位错对铝镓氮/氮化镓光学及电子器件性能的影响

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摘 要

氮化镓薄膜在蓝宝石、碳化硅和单晶硅等衬底上的异质生长会不可避免的产生高密度的（贯穿）位错（high-density threading dislocation）。本文首先介绍常见的刃型和螺型位错及其表征手段，随之结合国际上的学术研究案例，展开讨论了位错对于氮化镓基器件（如LED和HEMT）的光学性能（非辐射复合）以及电学性能（电荷散射及陷阱能级）的影响机制。

【关键词】氮化镓 位错 光电性能

1 （贯穿）位错及其表征

氮化镓与其它第三主族氮化物（如氮化铝和氮化铟）的多元化合物，因理想的禁带带宽（3.4eV及宽达0.7-6.2eV的调节范围）和良好的热稳定性，在诸如蓝光和白光（后者通过黄磷化物掺杂或RGB三原色芯片整合实现）的LED和激光器等光子器件，以及诸如高迁移率电子晶体管（HEMT）和金氧半场效晶体管（MOSFET）等电子器件的应用市场潜力巨大。由于块晶氮化镓具有极其昂贵的生产成本、极高的工艺难度和不安全性，氮化镓通常以薄膜态在蓝宝石、碳化硅和单晶硅等异质衬底上外延生长。这样异质生长方式的代价是生长环节中很大的晶格失配（如Al2O3： +16%， SiC： +39%）和冷却环节中的热膨胀系数失配（如Al2O3：-3.5%，SiC： -3.2%）。其中，前者会伴随产生大量的位错。

失配位错和贯穿位错是伴随氮化镓薄膜外延生长所产生的两种位错类型。当超过临界薄膜厚度时，失配位错会形核生长以降低应变能。相比而言，贯穿位错并不能减少应力，但人们认为正是贯穿位错主要影响了氮化镓基器件的光学（如复合效率、内量子效率）和电学性能（如漏电流和其它可靠性问题）。

贯穿位错（threading dislocation）是氮化镓中最具代表性的缺陷。贯穿位错通常有三种类型，即当位向垂直于基底时，纯刃型（a型）位错的伯格斯矢量

，纯螺型（c型）位错的b=[0001]）以及’c+a’混合型

（）。刃型位错使c面沿着[0001]轴转动，螺型位错使c面沿着垂直于[0001]轴的方向转动。这些取向可以经X射线摇摆曲线分析证实。如果我们考虑一个（0001）面，它具有[0001]线型朝向的刃型或螺型贯穿位错。刃型位错具有的平面应变使其仅能扭曲h或k不为零的（hkl）平面。

从而，对称（00l）摇摆曲线测试对纯刃型位错并不敏感，因为刃位错并不扭曲这些平面。离轴平面的摇摆曲线测试中半峰宽会增加，因为这些平面会被刃位错所扭曲。比如，高位错密度（～1010cm-2）的（0002）摇摆曲线的半峰宽会大于200 arcsec。相反，[0001]的螺型位错具有纯剪应变场并扭曲所有l不为零的（hkl）面，因而（00l）摇摆曲线仅对螺型成分的位错敏感。

这种位向信息同时可得到透射电镜的分析证实，并得到更多关于位错密度以及位错成分相对比例的信息。通常远离表面或界面的贯穿位错具有[0001]的线型方向，在g=1120的双束衍射中，纯刃型（b平行于（0001））和混合型位错可以被观测表征，而纯螺型位错（b=[0001]）并不可见。相反，在g=0002的双束衍射情形下，所有纯刃型位错不可见，而螺型和混合型可见。因而通过对比g=1120和g=0002的双束衍射图象，可以得到刃型对螺型成分的相对比例。

2 （贯穿）位错对氮化镓基器件的影响

2.1 氮化镓对于氮化镓高位错密度的“免疫”现象

在讨论（贯穿）位错对器件的影响前，我们应讨论氮化镓和砷化镓相比对高位错密度相对“免疫”的现象。比如，在传统的LED器件中，高位错通常导致发光效率的下降。因此传统的砷化镓基LED的位错密度会低于104cm-2，但内量子效率（用于衡量复合效率）仅在12%左右。相比，两步法横向外延过生长（two-step lateral overgrowth）氮化镓的常见位错密度达到108cm-2，内量子效率却可以达到～10%。

学术界对这一现象的认识和解释不一，具有代表性的两种理论如下：其一认为如果载流子的扩散长度想比位错间的平均距离更短的话，复合效率将独立于位错的数量。图1描述了过剩载流子的扩散长度随不同位错密度的关系。从中可以看到，扩散长度越短，载流子对位错密度越迟钝。譬如，当Ld约50nm时，GaN在位错密度在1010cm-2内都具有很高的载流子浓度。而典型的GaN的扩散长度很小（约为50nm），所以氮化镓器件对高位错并不很敏感。

图1：不同的少数载流子扩散长度下由于贯穿位错导致的光强减弱现象，发光强度与过剩少数载流子的浓度成正比。

第二种理论认为尽管位错密度很高，只有螺型位错才能起到非辐射复合中心的作用。T.Hino等人通过HCl气相腐蚀（蚀孔依位错而异）发现大部分的位错（～92%）都是刃位错。他们观察到光致发光（photoluminescence）谱的峰强随着螺位错的密度增加而减弱，与刃位错无关。这说明刃位错几乎对电子和空穴的复合没有影响。这两种理论在解释部分现象时取得了大体的成功，但细节仍存在不少问题。

2.2 位错密度对于非辐射复合的影响

贯穿位错作为非辐射复合中心（non-radiative recombination center）可能是最广泛的位错研究话题。由于氮化镓基LED中高贯穿位错密度可与高外量子效率共存的事实，人们猜想氮化镓中的贯穿位错可能不会扮演非辐射复合中心的角色，也因而不会对光学与电学性能有影响。由于原子力显微镜（AFM）和阴极发光（cathodoluminescence）图谱的结合表征，这种早期的猜想被一些实验结果所。氮化镓表面可以用AFM观察到表面孔蚀，这可能是位错的露头，并与CL图谱的暗点相吻合，证明电子空穴的辐射复合锐减。这说明位错作为非辐射复合中心的角色阻挡了辐射复合。

由于电离散射机制，电荷迁移率会随掺杂浓度的增大而降低。然而，在氮化镓中，当增加掺杂浓度时，电荷迁移率会先增后减，这种现象与材料中的高位错密度有关。如将贯穿位错视作线电荷，电子的运输特性会受影响，并在氮化镓的禁带中引入深能级。在n型氮化镓中，位错可作为负电荷的电子陷阱散射带电载流子。这样的散射效应使得横向迁移率降低，并呈现非单调性的关系。人们提出了一个理论模型以支持上述实验结果，证明迁移率是由下述关系决定的：

这里，，分别指代位错散射、电离杂质和晶格散射。当掺杂浓度很小时，位错散射机制会占主导，这时的电子迁移率成为：

这里，具有德拜相干长度的物理意义，Ndsl是位错密度。

从上述的两个关系式中看到，载流子迁移率随着浓度增加。这是由于载流子的屏蔽效应削弱了位错散射的作用。而在重掺杂区域，因为掺杂浓度是主项，载流子迁移率随着浓度增加而降低。

2.3 位错密度对于漏电流和电子器件可靠性的影响

尽管位错密度对氮化镓基电子器件的影响相比如激光器的光器件略小，但得益于如横向外延过生长等氮化镓生长技术的发展，贯穿位错密度可以由108-1011cm-2降为104-106 cm-2，人们从而拓展了实验参数的空间，取得了一系列的发现。Kozedoy等人研究了位错对PN结的漏电流的影响，发现反向偏压漏电流减小了三个数量级以上，这有可能是贯穿位错造成的陷阱能级所致。

另外，对于另一类重要的氮化镓基器件-HEMT（高载流子迁移率晶体管）来说，虽然贯穿位错的影响相比于LED和激光器略微，但长久的影响效应（可靠性研究）仍然是显著的。众所周知，氮化镓基HEMT因其宽禁带和铝镓氮的阻挡层可以在很高的漏源电压下工作。然而，当氮化镓HEMT的尺寸缩减到微米级别以下时，电场强度会很高（在没有场版栅结构时尤为如此）。因此，载流子可以获得很高的能量，从而造成了热载流子衰退效应，包括电荷俘获和相关深能级的生成。

因此，高电场的可靠性（reliability）研究是氮化镓器件走向商业化所急需解决的问题。M.Tapajna等人通过调节贯穿位错密度（从1010cm-2的高密度到107cm-2的低密度）研究了贯穿位错对于AlGaN/GaN结构HEMT的早期衰退（early degradation）的影响。研究中，样品在关的状态，栅源电压为7V，漏源电压为28V，温度为100摄氏度下进行20小时。实验发现，随着贯穿位错密度增加，最大漏电流（Idmax）降低，这是由于贯穿电压起到了电荷散射的作用。另外，高位错密度（～1010cm-2）的HEMT就最大漏电流而言的衰退更大，栅延迟增加，并产生明显的陷阱，当位错密度适中时（～107cm-2），位错的影响就变小。作者认为其机制可能由表面沿位错线输运到铝镓氮层的杂质原子（最有可能是氧原子）导致。

综上所述，贯穿位错是氮化镓的异质外延生长中不可避免的结构缺陷，尽管氮化镓相比砷化镓族半导体而言，对贯穿位错具有一定的免疫性，但是高位错密度仍然限制了氮化镓器件性能的继续提升。基于位错对氮化镓器件的机能原理的总结分析，对于提升氮化镓器件的整体性能的提升，以及解决器件的可靠性问题，扩大其市场化应用具有重要的研究意义。

参考文献

[1]Van de Walle，G.Chris，Jorg Neugebauer. Journal of applied physics 95.8 （2004）：3851-3879.

[2]B.Heying，et al.Applied physics letters 68.5（1996）：643-645.

[3]S.J.Rosner，et al.Applied physics letters 70.4（1997）：420-422.

作者单位

宁夏医科大学 宁夏回族自治区银川市 750004