Fig. 1. Mätsystem och observationsbild av TDs i GaN-halvledare genom multifotonexcitationsfotoluminescensmetod. TDs observeras som mörka linjer. Kredit:Osaka University Fig. 1. Mätsystem och observationsbild av TDs i GaN-halvledare med multifotonexcitationsfotoluminescensmetod. TDs observeras som mörka linjer. Kredit:Osaka University
Galliumnitrid (GaN) är ett halvledarmaterial vars breda bandgap en dag kan leda till att det ersätter kisel i elektroniktillämpningar. Det är därför viktigt att ha GaN-karakteriseringstekniker som kan stödja utvecklingen av GaN-enheter. Forskare vid Osaka University har rapporterat en oförstörande metod för att karakterisera den kristallina kvaliteten hos GaN. Deras resultat publicerades i Tillämpad fysik Express .
GaN kraftväxlingsenheter erbjuder många fördelar inklusive höghastighetsväxling, hög effekt drift, lågt motstånd, och hög genomslagsspänning. För att dra nytta av dessa egenskaper, defektdensiteten hos GaN-kristaller måste vara låg.
Tråddislokationer (TDs) är en typ av kristalldefekt som genereras av ofullkomligheten hos kristaller som fortplantar sig från substratet till ett epitaxiellt lager. Dessa TD:er fungerar ofta som läckströmsvägar.
TDs kan klassificeras med deras Burgers-vektorer. En mängd olika metoder kan användas för att analysera GaN och bestämma Burgers-vektorerna för TDs; dock, de flesta har tillhörande begränsningar, såsom involverad provberedning eller begränsat analysområde. Teknikerna kan också kräva destruktiv provberedning, så testade prover kan inte återanvändas.
Forskarna använde därför multiphoton excitation photoluminescens (MPPL) för att utvärdera GaN. MPPL är en oförstörande teknik där excitationslaserljuset tränger djupt in i proverna. Den är därför idealisk för tredimensionell (3D) utvärdering av kristalldefekter i material.
Fig. 2. Klassificering och identifiering av TDs observerade med multifotonexcitationsfotoluminescensmetoden. Från kontrastskillnaden för den mörka linjen och fördelningskartan för lutningsvinkeln från c-axeln (vänster), det kan ses att TD har tre typer av egenskaper. Från lutningsvinkeln och fördelningen i lutningens riktning i planet (höger), fördelningen har en sexfaldig symmetri enligt symmetrin i planet för Burgers-vektorn för blandade TD. Kredit:Osaka University
"Vi använde MPPL för att genomföra en djupgående studie av defekter i GaN-kristaller genom att analysera de lokala fotoluminescensegenskaperna och 3D-defektstrukturerna, " förklarar studiens första författare Mayuko Tsukakoshi. "Med tanke på våra fynd tillsammans med de från etch pit-metoden möjliggjorde statistisk klassificering av TDs."
De blandade TDs visade sig sträcka sig genom GaN vid stora lutningsvinklar. Dessutom, kontrasten hos fotoluminescenssignalerna indikerade att skruv-TD:erna hade starkare icke-strålningsegenskaper än de andra.
"Att kunna relatera MPPL-fynd till kvaliteten på GaN-kristaller är ett utmärkt verktyg för oförstörande, substratutvärdering med hög genomströmning, ", säger motsvarande författare Tomoyuki Tanikawa. "Vi tror att våra resultat kommer att hjälpa till att enkelt identifiera defekter som påverkar tillförlitligheten, samt förbättra avkastningen för att ge effektivare vägar till GaN-enheter."
