Vacancy defects in silicon related materials and gallium nitride

Abstract

Defects on the atomic scale strongly affect the performance of semiconductor devices and the achievable device lifetimes. Positron annihilation spectroscopy is sensitive to vacancy-type defects, which are the most common type of structural defects. In this thesis positron annihilation spectroscopy has been applied to study vacancy defects in gallium nitride and silicon related materials: silicon, silicon germanium and germanium.

Silicon related materials are dominant in current integrated circuits. Improving the channel conductivity is crucial for reducing the heat dissipation and for production of faster components. The formation of compensating defect complexes has been observed and their structure identified in highly Sb doped silicon. Native point defects in silicon germanium have been studied for Ge concentrations up to 30 per cent. Vacancies are found to form pairs with dopant P atoms reducing the free electron density and therefore the conductivity. In germanium implanted with silicon and germanium ions vacancy clustering and defect recovery during heat treatment were studied.

Gallium nitride is the most common material for blue light emitting diodes (LEDs). Blue wavelength light is required for producing e.g. high intensity white LEDs and improving the data packing density of DVDs. Bulk GaN is expensive and not readily available. Therefore GaN components are grown as thin layers on foreign substrates, the properties of which affect the GaN layer. The dislocation density was observed to decrease when using misoriented SiC substrates. The vacancy formation and impurity incorporation into GaN layers was shown to be dependent on the growth polarity. Vacancy clusters and a higher concentration of impurities are incorporated during N-polar growth.

Atomiskaalan virheet vaikuttavat ratkaisevasti puolijohdekomponenttien suorituskykyyn ja laitteiden kestävyyteen. Positroniannihilaatiospektroskopia on erinomainen menetelmä tutkittaessa vakanssityyppisiä virheitä, jotka ovat tyypillisimpiä pistemäisiä virheitä. Tässä työssä positroniannihilaatiospektroskopiaa on hyödynnetty galliumnitridin ja piintyyppisten materiaalien - pii, piigermanium ja germanium - tutkimuksessa.

Suurin osa integroiduista piireistä valmistetaan piintyyppisistä materiaaleista. Materiaalin johtavuuden parantaminen on avainasemassa pyrittäessä pienentämään lämmöntuottoa ja valmistamaan entistä nopeampia komponentteja. Tässä työssä on havaittu ja tunnistettu johtavuutta heikentäviä virhekertymiä vahvasti antimonilla seostetussa piissä. Luonnostaan piigermaniumissa esiintyviä virheitä on tutkittu materiaaleissa, joissa germaniumin osuus on 0 - 30 %. Vakanssien on havaittu kertyvän seostuksessa käytettyjen fosforiatomien ympärille vähentäen elektronitiheyttä ja siten johtavuutta. Germaniumissa, jota on säteilytetty piillä tai germaniumilla, vakanssien kertymistä ryppäiksi ja ryppäiden poistumista lämpökäsittelyn avulla on tutkittu.

Galliumnitridi on yleisimmin käytetty materiaali sinisissä valoa emittoivissa diodeissa (LED). Sinistä valoa tarvitaan mm. tuottamaan kirkkaita valkoisia LED valoja sekä parantamaan tiedon tallennustiheyttä DVD levyillä. Yksittäiskiteinen GaN on erittäin kallista ja sen saatavuus on heikko. Siksi GaN komponentteja kasvatetaan ohuina kalvoina vieraiden aineiden pinnalle, jolloin alustan ominaisuudet vaikuttavat kerrokseen. Tässä työssä on havaittu dislokaatiotiheyden kasvavan, kun kerros kasvatetaan piikarbidialustoille, joiden kidesuunta ei ole leikkauspinnan suuntainen. Vakanssivirheiden synnyn ja epäpuhtausatomien kertymisen on osoitettu riippuvan GaN:n kasvusuunnasta. Epäpuhtausatomit sitoutuvat paremmin ja kasvatuksessa muodostuu enemmän vakanssiryppäitä, kun GaN kide kasvatetaan N-polaarisesti.