PDF《GaN 中的缺陷与杂质》

6 种天然缺陷的介绍以及 N 位的 O 和Ga 位的 Si 或C.Ga 空位( V Ga) 以及 V Ga与施主原子形成的复合体也属于这一范畴 ,但这方面的 研究似乎是近来的重点 ,因此在本文中另辟一节阐述之.同样的原因也适用于对氢与其 它缺陷形成的复合体的研究综述. (2) 特意性掺杂对应的能级.这一节包含的内容多数是早期的工作 ,只是为了维持本 文的完整性而加上的 ,因而略为带过.详细的内容可以参阅 Strike 和Morkoc 的综述文 章[11 ] . (3) 离子注入产生的缺陷与深能级.包括对 Si + ,Ar + ,Mg + ,P + 和C+ 等离子注入产 生的深能级的研究 ,以及退火的影响.作为比较 ,也简略地综述了对于刚生成的 GaN 中 的深能级的研究.

1 GaN 中的天然缺陷和非特意性掺杂杂质 图1富氮情况下天然 GaN 中的形成能 随费米能级的变化.图中 Ef =

0 对应着价带的顶 1.

1 GaN 中的天然缺陷 GaN 中的天然缺陷共有

6 种形态 : (a) 氮空位 V N ,(b) 镓空位 V Ga ,(c) 反位氮(即镓位 氮) Nant ,(d) 反位镓 (即氮位镓) Gaant , (e) 间隙位氮 Nint ,和(f) 间隙位镓 Gaint . 刚长成的 GaN 都是 n 型的 , 很难反型为 P 型[16 ,17 ] .在将近三十年的时间内 ,人们一直认为 氮空位是施主的主要来源[18 ,19 ] ,用一种称为 tightΟ binding 的计算方法似乎可以证实这一推测[20 ,21 ] . 但这种计算方法过于粗糙 ,同时也没有给出原子尺 度上的缺陷形貌 (包括弛豫和重构等等) 和缺陷形 成能.缺陷形成能是和载流子浓度紧密相关的 ,在 特定的浓度下 ,有些缺陷可以产生 ,有些缺陷则不 能产生.图1是所有

6 种天然缺陷的形成能随费 来能级的位置不同而变化的曲线 ,计算时是假设富

2 物理学进展21 卷 氮的情况(由于一般 GaN 膜都是在富氮环境中生长的 ,因此这一假设是合理的) .缺陷形 成能的斜率表明了电荷态 ,如果斜率有了变化 ,则说明由一个电荷态跃迁到了另一个电荷 态. 由图

1 ,最具有特征的是 ,在p型GaN 中 ,氮空位有着最低的形成能 ,而在 n 型情况 下 ,镓空位的形成能是最低的.注意这些低的能量来源于这些空位带有电荷 ,因此大大地 降低了他们的形成能.同氮空位和镓空位相比 ,无论在 n 型或 p 型的情况下 ,反位缺陷都 具有比较大的形成能 ,因而不易产生. 对于刚刚生长的 GaN ,Ga 空位的中性电荷态是三价占位 (triple occupied) , 它的能级 在禁带中接近价带顶 ,可以被三个电子填充 ,因而是一种三价的受主. 1.

2 GaN 中的非特意性掺杂 ― ― ― n 型电导的来源 由以上的研究得知镓空位在 GaN 中有着最低的形成能 ,因而也就最易产生.因为镓 空位是一种受主 ,所以它将部分地补偿 n 型施主.通常 ,对刚生成的 nΟGaN 而言 ,费米能 级位于价带顶以上

3 eV 左右 ,图中显示氮空位有着

3 eV 以上的形成能 ,因而不太可能产 生.由此 ,我们相信氮空位以及它的天然缺陷不太可能是刚生长的 GaN 的n型电导的来 源. 摈弃了天然缺陷 ,则必须找寻 n 型电导的其他来源.最有可能的是生长过程中导致 的非特意掺杂.碳 ,氧和硅是比较有可能的此类杂质.镓位的碳和硅 (CGa和SiGa) 或氮位 的氧(ON) 都属于施主[22 ] . 表1n型GaN 中的 ON ,CGa和SiGa的最低形成能.表中给出 了富氮和富镓两种情况下的形成能 E f 的值(单位 eV) 缺陷类型 E f (eV) 富Ga 富N计算时采用的化合物 SiGa 1.