Investigation of surface oxidation of III-N materials by AES

Abstract

III-N materials such as gallium nitride (GaN) have gained great attention since the 1990s, mostly due to their importance for optoelectronics. GaN-based materials enabled the fabrication of high-efficiency blue light-emitting diodes which has been honored with the 2014 Nobel Prize in physics. The combination of superior physical properties such as a wide band gap and high electrical breakdown field with high electron saturation velocity makes it further interesting for high-power and high-temperature electronics. Combining GaN with the alloy aluminium gallium nitride (AlxGa(1-x)N) enables the fabrication of AlGaN/GaN heterostructures that are used for high-electron-mobility transistors (HEMTs). One common problem in these devices is that the AlGaN barrier, even though it has a wide band gap, needs additional passivation in order to suppress parasitic gate leakage current. Passivation by deposition of dielectrics causes high interface state densities and as a consequence dynamic effects such as a threshold voltage drift. Therefore, the usage of directly oxidized layers is considered. Their oxide/semiconductor interface is never exposed to any environment, inhibiting contamination and resulting in less interface states. However, these oxide layers exhibit inhomogeneous oxidation which causes rough surfaces and interfaces. The purpose of this thesis is to reveal the origin of this high inhomogeneity. Therefore systematic investigation of the oxidation of GaN and AlGaN is performed with a focus on the early stages of growth. The dependence on different oxidation parameters is point of interest as well as the choice of the oxidation technique. Experimental data show preferred oxidation at threading dislocation sites for thermal oxidation above 800 °C to be the origin of the high interface roughness. Annealing in N2 atmosphere exhibits that also decomposition is favored at these chemically reactive spots. Therefore oxidation is suggested to be enhanced at dislocation sites by the decomposition of GaN and the subsequent oxidation of the remaining liquid Ga. An oxide growth model that considers the enhanced oxidation rate at threading dislocations is proposed and can explain the highly nonlinear oxide growth, observed in early stages. This is supposed to end as oxidic craters are coalescing laterally and the overall oxidation rate is eventually solely determined by the decomposition enhanced oxidation rate at dislocations. Analysis is predominantly performed by Auger electron spectroscopy (AES), which is predestinated for flat layers of well-known stable materials with similar sputter rates and information depths. As oxidized GaN layers do not show any of these features, interpretation of the gained data is challenging. Determination and comparison of sputter rates for GaN and its oxide Ga2O3 exhibits great differences. This causes along with the favored sputtering of N over Ga within the GaN crystal severe artifacts in AES depth profiles. Further artifacts originate from the large mismatch in information depths between N and Ga as well as surface charging due to sputtering and electron bombardment.

III-N Materialien wie Galliumnitrid (GaN) erregen, vorwiegend aufgrund ihrer außerordentlichen Relevanz in der Optoelektronik, seit den 1990ern verstärkt Aufmerksamkeit. GaN-basierte Materialien ermöglichten die Herstellung von hocheffizienten blauen Lichtdioden, was 2014 mit der Verleihung des Nobelpreises in Physik honoriert wurde. Die hervorragenden physikalischen Eigenschaften wie die große Bandlücke und das hohe kritische elektrische Feld mit der hohen Elektronensättigungsgeschwindigkeit sind zudem von Interesse für Hochleistungs- und Hochtemperaturelektronik. Die Kombination von GaN mit der Legierung Aluminiumgalliumnitrid (AlxGa(1-x)N) ermöglicht AlGaN/GaN Heterostrukturen, die in high-electron-mobility transistors (HEMTs, dt. "Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit") Verwendung finden. Ein bekanntes Problem in diesen Bauteilen ist, dass trotz der großen Bandlücke der AlGaN-Barriere zusätzliche Passivierung notwendig ist um den parasitären Gate-Leckstrom einzudämmen. Die Passivierung durch Abscheiden von Dielektrika verursacht hierbei hohe Grenzflächenzustandsdichten, was in weiterer Folge zu dynamischen Effekten wie einem Driften der Einsatzspannung führt. Aus diesem Grund wird der Einsatz von direkt oxidierten Schichten in Erwägung gezogen. Deren Oxid/Halbleiter-Grenzfläche ist zu keinem Zeitpunkt der Umwelt ausgesetzt, sodass Kontamination verhindert wird, was in einer geringeren Anzahl von Grenzflächenzuständen resultiert. Nichtsdestotrotz weisen diese Oxidschichten aufgrund von inhomogener Oxidation raue Oberflächen und Grenzflächen auf. Ziel dieser Arbeit ist, die Ursache für die hohe Inhomogenität herauszufinden. Dafür wird die Oxidation von GaN und AlGaN systematisch untersucht, wobei der Fokus auf das Frühstadium des Oxidwachstums gelegt wird. Weiters ist die Abhängigkeit von verschiedenen Oxidationsparametern sowie die Wahl der Oxidationsmethode von Interesse. Experimentelle Daten für Oxidation über 800 °C zeigen, dass die Ursache für die hohe Rauheit der Grenzfläche die bevorzugte Oxidation an Versetzungslinien ist. Beim Tempern in N2-Atmosphäre wird ebenfalls bevorzugte Zersetzung an diesen chemisch reaktiven Stellen festgestellt. Dies legt den Schluss nahe, dass die erhöhte Oxidation an Versetzungsstellen durch die Zersetzung von GaN und die anschließende Oxidation des verbleibenden flüssigen Galliums verursacht wird. Es wird ein Oxidwachstumsmodell vorgeschlagen, das die erhöhte Oxidationsrate an Versetzungslinien berücksichtigt und dadurch das beobachtete, höchst nichtlineare Oxidwachstum im Frühstadium beschreibt. Es wird vermutet, dass sich dieses Verhalten durch das laterale Zusammenwachsen von Oxidkratern ändert und die Oxidationsrate der Gesamtstruktur sodann ausschließlich durch die zersetzungsbedingt erhöhte Oxidationsrate an Versetzungen bestimmt wird. Die Analyse basiert zum Großteil auf Augerelektronenspektroskopie (AES), welche prädestiniert ist für die Untersuchung von flachen Schichten aus wohlbekannten stabilen Materialien mit ähnlichen Sputter-Raten und Informationstiefen. Da oxidierte GaN-Schichten keine dieser Eigenschaften aufweisen, stellt die Interpretation der gewonnenen Daten eine große Herausforderung dar. Die Bestimmung und der Vergleich der Sputter-Raten zwischen GaN und dessen Oxid Ga2O3 zeigt große Unterschiede, die gemeinsam mit dem bevorzugten Sputtern von N gegenüber Ga innerhalb des Kristalls massive Artefakte in AES-Tiefenprofilen hervorrufen. Weitere Artefakte stammen von der großen Diskrepanz zwischen den Informationstiefen für N und Ga sowie der Aufladung der Oberfläche durch Sputtern und Elektronenbeschuss.