The Role of Carbon in creating insulating behavior in GaN-on-Si buffers: a physical model

Abstract

The extensive market growth in emerging fields such as electric/hybrid vehicles and renewable energies increases the demand for electrical power conversion systems with higher efficiencies. As silicon (Si) approaches its physical limits, wide band gap semiconductors such as gallium nitride (GaN) with significantly higher critical electric fields are increasingly considered as feasible alternatives. For cost-competitiveness GaN is grown on Si substrates (i.e. GaN-on-Si), which requires highly insulating GaN buffers to isolate electrically active GaN layers from conductive Si. Although it is empirically well-known that insulating behavior can be achieved by carbon-doping, the actual role of carbon is not understood yet. The main obstacle in previous investigations was the focus on characterization of entire multilayer GaN-on-Si buffers, used for electronic devices. Their multilayer nature impedes extraction of the electrical behavior of a single layer and consequently the identification of the role of carbon in making GaN insulating. In order to overcome this apparent deficiency, we develop novel test structures, in which a single carbon doped GaN (GaN:C) layer is embedded between a metal and a highly n-doped GaN layer that acts as back electrode. This allows characterization of single GaN:C layers and derivation of a fundamental physical model. By substituting the single GaN:C layer with simple multilayers, the interaction of GaN:C with other layers is studied. Characterization employs primarily capacitance-voltage (CV) and current-voltage (IV) measurements as well as fast (µs) transient capacitance measurements (Ct) after various bias steps. We introduce a straightforward analysis technique that enables direct extraction of potential and charge distributions from CV curves. Ct measurements even allow time-dependent tracking of charge transport through GaN:C and charge capture and emission in carbon defects. A cryogenic probe station allows to investigate the temperature dependence of these processes in a wide range between 20 and 560K. Furthermore, electrical characterization equipment is extended by optical setups for illumination with monochromatic light and transient electroluminescence analysis. Main results include evidence that the Fermi level is pinned in GaN:C approximately 0.7eV above the valence band maximum, energetically close to the carbon acceptor level. We found that carbon atoms predominantly form acceptors and to a smaller extent also donors, whereby we demonstrate the crucial role of donors for achieving insulating behavior. Leakage current as well as capture and emission processes are solely determined by the charge transport through GaN:C. While for small carbon concentrations this transport occurs via the valence band (i.e. p-type), this behavior changes significantly when exceeding a critical concentration of (1-10)×10^18 cm−3. In this case, charges propagate within the band gap in so-called ”defect bands”, which are formed by carbon acceptors, likely located at threading dislocations. In contrast to our analysis technique, classical extraction of defect parameters from Arrhenius-plot fails due to the non-Arrhenius temperature dependence of the transport process. Although carbon introduces conductive channels in GaN, experiments reveal enhanced insulating behavior of multilayers including GaN:C layers. The key therefore is the ability of GaN:C to accumulate charges in carbon acceptors that prevent conduction via valence and conduction bands. The developed physical GaN:C model will support future optimization of insulating buffers in GaN-on-Si devices such as HEMTs (high-electron-mobility transistors). It will help to understand the electrical behavior of existing buffers and allow for development the prediction of the behavior of new buffers before manufacture.

Das starke Wachstum in zukunftsweisenden Märkten wie Elektro-/Hybridfahrzeugen sowie erneuerbare Energien steigert die Nachfrage nach elektrischen Energieumwandlungssystemen mit höheren Wirkungsgraden. Da Silizium (Si) zunehmend an seine physikalischen Grenzen stößt, werden Halbleiter mit breiter Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) durch seine weitaus höheren kritischen elektrischen Feldstärke zunehmend als Alternativen betrachtet. Aus Kostengründen wird GaN auf Si-Substraten gewachsen (GaN-on-Si). Um die elektrisch aktiven GaN-Schichten von leitendem Si zu isolieren, werden hochisolierende GaN-”Buffer” benötigt. Obwohl empirisch bekannt ist, dass Kohlenstoff-Dotieren GaN isolierend macht, fehlen genaue Kenntnisse über die tatsächliche Rolle von Kohlenstoff. Das Hauptproblem früherer Untersuchungen war der Fokus auf die Charakterisierung von ganzen GaN-on-Si-Buffern, wie sie für elektrische Anwendungen zum Einsatz kommen. Deren vielschichtige Struktur verhindert jedoch die Extraktion des elektrischen Verhaltens einer einzelnen Schicht und in weiterer Folge die Identifikation der Rolle von Kohlenstoff für das isolierende Verhalten von GaN. Um diese Unzulänglichkeit zu überwinden entwickeln wir neuartige Teststrukturen, in welchen eine einzelne kohlenstoffdotierte GaN-Schicht (GaN:C) eingebettet ist zwischen einem Metall und einer hoch n-dotierten GaN Schicht, die als untere Elektrode dient. Dies ermöglicht die Charakterisierung von einzelnen GaN:C-Schichten und die Herleitung eines fundamentalen physikalischen Modells. Austausch der einzelnen GaN:C-Schicht durch einfache mehrschichtige Strukturen ermöglicht zudem die Untersuchung der Interaktion von GaN:C mit anderen Schichten. Zur Charakterisierung werden größtenteils Kapazitäts-Spannung- (CV) und Strom-Spannung- (IV) sowie schnelle transiente Kapazitäts-Messungen (Ct) nach verschiedenen Spannungsänderungen eingesetzt. Wir stellen eine einfache Analysetechnik vor, die eine direkte Extraktion von Potential und Ladungsverteilungen auf Basis von CV-Kurven ermöglicht. Ct-Messungen erlauben sogar zeitabhängiges Mitverfolgen vom Ladungstransport durch GaN:C sowie von Ladungseinfang und -emission in Kohlenstoffdefekten. Ein kryogener Spitzenmessplatz ermöglicht die Untersuchung des Temperaturverhaltens dieser Prozesse in einem weiten Temperaturbereich zwischen 20 und 560K. Weiters werden die elektrischen Messeinrichtungen durch optische erweitert, die die Bestrahlung mit monochromatischem Licht sowie transiente Elektrolumineszenzanalyse ermöglichen. Die wichtigsten Ergebnisse beinhalten den Nachweis, dass das Fermi-Niveau in GaN:C ungefähr 0.7eV über der Valenzbandkante festgehalten wird, energetisch nahe des Kohlenstoff-Akzeptors. Wir stellen fest, dass Kohlenstoff großteils Akzeptoren und in geringerem Maße auch Donatoren bildet. Dabei demonstrieren wir, dass diese Donatoren eine wesentliche Voraussetzung sind, um isolierendes Verhalten zu erzeugen. Sowohl Leckstrom als auch Ladungseinfangs- und Emissions-Prozesse in GaN:C werden vollständig durch den Ladungstransport in GaN:C bestimmt. Während für geringe Kohlenstoffkonzentrationen dieser Transport über das Valenzband stattfindet (p-Leitung), ändert sich dieses Verhalten erheblich sobald die Konzentration einen Wert von (1-10)×10^18 cm−3 übersteigt. In diesem Fall findet der Ladungstransport innerhalb der Bandlücke in sogenannten ”Defektbändern” statt, welche von Kohlenstoff-Akzeptoren, vermutlich an Versetzungen, gebildet werden. Im Gegensatz zu unserer Analysemethode ist die klassische Ermittlung von Defektparametern aus Arrhenius-Plots nicht möglich, da die Temperaturabhängigkeit des Transportprozesses nicht dem Arrhenius-Gesetz folgt. Obwohl Kohlenstoff stromleitende Pfade in GaN einführt, zeigen Experimente bessere Isoliereigenschaften von mehrschichtigen Strukturen, die GaN:C-Schichten enthalten. Der Schlüssel dafür liegt in der Fähigkeit von GaN:C, Ladungen in Kohlenstoff-Akzeptoren anzusammeln, was Leitung über Valenzund Leitungsband verhindert. Das entwickelte physikalische GaN:C Modell wird zur zukünftigen Optimierung von isolierenden Buffern in GaN-on-Si-Bauteilen wie HEMTs (”high-electron-mobility transistors”) beitragen. Es wird helfen, das elektrische Verhalten von existierenden Buffern zu verstehen sowie in der Entwicklung das Verhalten von neuen Buffern vor ihrer Produktion vorherzusagen.