GaN基外延片中的硅扩散

方文卿  李述体  刘和初 江风益

南昌大学教育部发光材料与器件研究中    南昌   330047

江西方大福科信息材料有限公司 南昌  330029

摘要：本文采用适合宽禁带材料的ECV设备测量了自己在进口MOCVD设备上生产的GaN基外延片的载流子浓度纵向分布。在此基础上，通过引入主扩散模型，对结果进行了高斯拟合，得出了硅在高温时（1030℃）在GaN中的扩散系数，并由此估算了硅向量子阱及p层的扩散宽度。

关键词：Silicon Diffusion，ECV，GaN，PN400

一．引言：

GaN是一种宽直接带隙（3.39eV），既耐高温又抗腐蚀的半导体材料。目前在有商业意义的三基色LED中，就有绿蓝两色来源于它，加上它还可以用来做可应用于光驱的短波长激光器、做紫外传感器、做大功率电子器件、将来还可能用于日常照明，因而全球掀起了一股GaN热。大家知道，对LED结构的GaN外延片，其n型层通常是硅掺杂的。有关硅在GaN中的扩散行为，一直为人们所关心，这是因为量子阱后的p层生长温度是很高的，在p层生长过程中，硅的扩散宽度有多少？硅会不会跨过量子阱扩散到p层来？硅在量子阱中的行为如何？如何趋利避害？这些问题值得认真探讨。在目前的GaN热中，相关的测试仪器生产厂家也快速推出了新的测试设备。如ACCENT就在其PN4300PC的基础上推出了适合宽带隙材料的PN4400ECV设备。本文将借助此设备，通过测量GaN外延层的纵向载流子浓度分布来研究硅的扩散问题，并探讨这一研究的实际意义。

二·测试与扩散原理       ～

       ECV（Electorochemical C~V Profiler）称为电化学 C－V纵向载流子浓度测量方法。当常规半导体材料和达到一定浓度（0．lmol以上）的腐蚀电解液接触时，便形成了肖特基结，当反偏形成耗尽层时，在耗尽层尺寸附近的载流子浓度N和结电容之间存在关系： 

 
    由（1）式可知，在合适的电压位置，通过C~V测量可求出N，（PN4400使用典型值为3KHz的载频测量C，而使用典型值为40KHz的调频测量dc/dy）。ECV还采用电化学方法，对半导体材料进行一层层剥蚀。对于p型半导体，由于具有较多的空穴，给p型半导体/电解液结加正偏便可腐蚀。对于n型半导体，还需加光照来激发出空穴。GaN由于禁带宽，PN4400就必须采用紫外光照射，为了能溶解n型半导体，n型半导体/电解液结应反偏（即腐蚀时电解液电位总是比半导体低），否则会造成电镀。对于腐蚀深度，可由法拉第定律给出：

 
    这样不断地‘测量—腐蚀—测量一腐蚀—’下去，就可连续得到位于Wr＋Wd处的由（1）式给出的载流子浓度N。 Wd耗尽层深度：

 这是理想的情况，实际情况很复杂。PN4400用一些指标来描述和监测非理想的肖特基二极管。实际测量时必须随时监测这些指标，挑选最佳测试条件。

    如果要从理论上描述硅在GaN中的扩散行为是比较复杂的。这至少包括两个主要过程，其一是发生在掺硅过程中，一方面硅要掺入新长的GaN中，另一方面，刚掺的硅还要向先前已长好的未掺杂GaN扩散。另一过程发生在长p层（长量子阱过程中的硅扩散因温度低先忽略），这时所有的硅（不管是掺的还是扩散来的）又要重扩散。扩散可用一维扩散方程：

 
来描述。例如：对于比较简单的极薄的一层面源的一维扩散问题，设t＝0在这薄层中含掺杂粒子的数目为N0，显然N（x，0）＝0（x≠0），N（x，t）dX=N0（t＞0）

    此时的解为高斯分布：

  
严格来讲，我们可把掺硅时的硅扩散过程看成是一系列先后产生的面源的扩散过程的叠加，也即对（2）式根据面源位置再积分，并考虑延时。这样做是常复杂的，只能有数值解，更复杂的是，我们还得将数值解与实验数值进行拟合，进而求得扩散系数D，然后才能将D用于分析其它位置的扩散问题。

如果简单一点的话，我们也可直接对实验数据进行某种拟合，看究竟是什么分布。实际生长情况是非常复杂的，理论上所取的模型也不一定就严格与实际相符。因此，直接从实验得出一些规律牲的东西往往更直观。

三．腐蚀与测量方法

1．腐蚀方法

   GaN本身是一种耐腐蚀材料，要对其实现一层层均匀剥离是不容易的，但又必须确保做到这一点，否则后面的测量无法进行。我们选的腐蚀液是lmol浓的H2SO4，在实验中我们发现，对于掺硅的n型GaN外延层，借助紫外光的均匀照射与限定，可得到均匀的轮廓清晰的腐蚀。但这也必须小心选择好腐蚀电压与光照强度，使刻蚀电流大小合适，并注意避开雪崩区。尤其值得注意的是，PN4400虽然自带了在腐蚀过程中自动消除腐蚀面所产生的气泡的装置，但仍无法有效地清除气泡，这会严重地影响腐蚀的均匀性与结果的正确性，为此，必须经常暂停下来，用人工方法（我们用注射针头喷）赶走气泡。·只要认真注意这些点，不难获得均匀的腐蚀坑（见图一）

对于一块具有完整LED结构的外延片，其p层腐蚀是很困难的。要得到均匀腐蚀尤其难，往往很容易发生选择性腐蚀，致使载流子浓度测量结果毫无意义。究其原因，首先是因为 p型层很薄（约 0．15ц），且接着又是多层量子阱结构，甚至可能还有硅扩散过来，成为高补偿层，因此情况十分复杂，已不是简单的p型层了（ECV的条件测试确实显示p型特征非常勉强）因此腐蚀也应特别处理。实验发现，若辅以适当光照，仍可得到均匀的腐蚀。同时，需要指出的是，正因为p型层及量子阱层都很薄，要用其它方法研究在这些层中的硅扩散是很困难的。另外，为了确保腐蚀均匀，我们特别选择了不长p型层及量子阱层的外延片。

2．测量方法

    要获得好的测量结果，必须随时注意调整测量条件（最重要是测量电压）。这主要根据I～V、C～V曲线，耗散因子（dissipation factor），平带势（flatband potential），测量电流等来选取（ECV测量这些内容时，在本文中统称为条件测试）并预先对外延层的工艺结构参服所了解，ECV设备需人工随时干预，尤其是当接近异质结，PN结，高补偿区时更应及时调整，但即使如此，这些地方的载流子浓度测量结果意义是不大的，因为这些区域已动摇了ECV测量原理的理论基础。此时仪器一般只能反映测量到了异常区，异常区有多厚等。从这点来看。我们在进口MOCVD设备上生产的外延片由于p型层太薄且接着又有多个量子阱等，ECV对这些层的载流于浓度的测量便有些无能为力，但仍然能提供一些其它信息，这些信息还有待研究。另外，对于载流于浓度的测量，即使在腐蚀非常均匀、半导体材料也典型的理想情况下，ECV在纵向上的分辨率也只能达到3个德拜长度。德拜长度由下式给出：

 根据（3）式计算的不同载流子浓度下的3Ld值如下：（at300k）

 
由此可见，对于一些单边突变结，量子阱之类的结构，测量时应考虑该仪器的分辨率是否足够，截流子浓度非常低的地方，如蓝宝石衬底附近，由于N很小，对测量结果也应持谨慎态度。

四、测量结果与讨论

1、测量结果

图三、图四给出的是用ECV测得的是两样品的载流量浓度的纵向分布，这两样品主要差别是缓冲层生长工艺不样，另外就是总的生长时间也不一样。这两种样品都是在生长未掺杂的GaN1.3цm左右后，再在进行GaN：Si外延层生长，生长温度为1030℃。在两图中，虚线左侧的斜坡对应硅的扩散。右侧的斜坡则对应晶体质量随厚度的增加而得到了改善。由图二、图三可知样品A的晶体质量更好，有关载流子浓度分布与GaN晶体质量的关系己在中另有描述。

2．高斯拟合与硅的扩散系数

如果不掺硅的话、晶体生长大致应该沿图二、图三中蓝宝石到波谷这段继续下去一些，然后可能会再转向水平。掺硅后，硅要向蓝宝石方向扩散，如果采用主扩散模型来描述的话，那么偿试设杂质的分布满足高斯分布，即满足：N（X）=Nse-x2/4Dt   ……（4）

       Ns原为半导体表面的杂质沉积浓度，在这里可以认为是图二、图三中最高的水平线处的载离子浓度。t为扩散时间，两样品的生长时间有所不同，也就是扩散的时间有些不同，反映在图二、图三上，就是图二中对应硅扩散的线段的斜率比图三大，也即硅扩散区要窄些。如果腐蚀能确实做到均匀的话（金相显微镜显示非常均匀），我们可以对图二、图三相应扩散段进行高斯模拟，其表达式为：

模拟结果见图二、三。由图可见，模拟重合程度相当好，因而可认为扩散可能确实是高斯分布，（5）可作为经验公式。我们可由模拟所得的参数，根据（4）（5）及相应的时间可求得相应温度下的扩散系数D，求得D后就可用来估算在掺硅结束后，硅向表面的扩散，也即向量子阱的扩散。这种扩散对器件的影响可能较大。

    由实时膜层反射率变化曲线知两样品的生长速度均为：0.63nm/s，因此，可估得开始掺硅后的生长时间，扩散系数D，如下表：