Implementation and testing of high voltage system for pulsed low-energy positron beam and conventional positron beam studies in InN

Abstract

Positron annihilation spectroscopy is one of the few methods to study atomic scale lattice imperfections. The conventional positron lifetime spectroscopy is limited to bulk samples and a lifetime beam is required for measurements in epitaxially grown thin layers. This work describes the operation of the TKK pulsed positron lifetime beam with a grounded sample. Particularly, the unique high voltage realizations and challenges of HV design are discussed in detail. Thorough high voltage withstand tests are performed for every component in the HV system of the lifetime beam. Additionally, to protect electronics against breakdown induced transients, multi-stage transient suppressors are constructed and tested.

The timing properties of the lifetime beam are determined using electrons and positrons. A fast multichannel plate is utilized as a detector for the resolution measurements. Higher detector count rate and a brighter beam are achieved with electrons to accelerate the testing procedure. The time resolution of 160 ps observed for the lifetime beam is sufficient for positron lifetime measurements in semiconductors. The peak-to-background ratio is also sufficient, more than 5000.

A conventional continuous slow positron beam is used to study indium nitride grown by metal-organic chemical vapor deposition. The observed indium vacancy concentration of ∼1017 cm−3 is almost independent on the V/III molar ratio at 4800-24000. At lower ratios, below 4000, the In droplet formation is accompanied by the formation of vacancy clusters. The In vacancy formation depends on the growth temperature. The concentration increases from 9×1016 cm−3 to 7×1017 cm−3 when the growth temperature is increased from 550°C close to the decomposition temperature of 625°C.

Finally, 2 MeV 4He+ irradiated InN grown by molecular beam epitaxy and gallium nitride grown by metal-organic chemical vapor deposition are studied. In GaN, the Ga vacancies act as important compensating centers in the irradiated material, introduced at a rate of 3600 cm−1. The In vacancies are introduced in InN at significantly lower rate of 100 cm−1 making them negligible in the compensation of the irradiation-induced additional n-type conductivity. On the other hand, negative non-open volume defects are introduced at a rate higher than 2000 cm−1. We propose that these defects are related to N interstitials and ultimately limit the free electron concentration at high irradiation fluences.

Positroniannihilaatiospektroskopia on yksi harvoista menetelmistä, joilla voidaan tutkia atomiskaalan hilavirheitä. Perinteinen positronin elinajan mittausmenetelmä on rajoittunut paksujen näytteiden tutkimiseen ja siksi positronin elinajan mittaamiseen ohutkalvoissa tarvitaan elinaikasuihkua. Tämä työ kuvaa TKK:lla sijaitsevan pulssitetun positronisuihkun toimintaa. Kyseisen mittauslaitteen ainutlaatuinen korkeajännitetoteutus ja korkeajännitesuunnittelun haasteet käsitellään yksityiskohtaisesti. Jokainen laitteiston komponentti on suurjännitetestattu perusteellisesti. Lisäksi moniportainen suojaus on rakennettu ja testattu laitteiston elektroniikan suojaamiseksi syöksyjännitteitä vastaan.

Elinaikasuihkun ajoitusominaisuudet on määritetty sekä elektroneilla että positroneilla, käyttäen hiukkasilmaisimena nopeaa monikanava-analysaattoria. Elektroneja käyttämällä saavutetaan korkeampi ilmaisimen pulssitaajuus ja laadukkaampi hiukkassuihku kuin positroneilla ja näin laitteiston testaus nopeutuu. Määritetty laitteiston aikaresoluutio, 160 ps, on riittävä positronin elinaikamittauksiin puolijohteissa. Myös saavutettu piikki/tausta -suhde, suurempi kuin 5000, on riittävä.

Perinteistä jatkuvaa hitaiden positronien suihkua on käytetty tässä työssä MOCVD-menetelmällä kasvatetun indiumnitridin tutkimiseen. Havaittu indiumvakanssikonsentraatio, ∼1017 cm-3, on lähes riippumaton V/III -moolisuhteesta välillä 4800-24000. Matalammilla V/III -suhteilla, alle 4000, kasvatettujen näytteiden pinnalla havaitun indiumpisaramuodostumisen todettiin liittyvän vakanssiklustereiden muodostumiseen. Indiumvakanssien muodostuminen riippuu myös kasvatuslämpötilasta. Vakanssikonsentraatio kasvaa 9×1016 cm-3:sta 7×1017 cm-3:een kun kasvatuslämpötilaa kasvatetaan 550°C:sta lähelle InN:n hajoamislämpötilaa, 625°C.

Lopuksi tässä työssä tutkittiin 2 MeV 4He+ säteilytettyä MBE-kasvatettua indiumnitridiä ja MOCVD-kasvatettua galliumnitridiä. Säteilytetyssä galliumnitridissä galliumvakanssit toimivat tärkeinä kompensoivina keskuksina, joita syntyy nopeudella 3600 cm-1. Indiumvakansseja syntyy indiumnitridissä huomattavasti vähemmän, 100 cm-1, joten ne eivät kompensoi merkittävästi n-tyyppistä johtavuutta. Toisaalta, negatiivisia hilavirheitä muodostuu nopeudella 2000 cm-1. Näiden voidaan olettaa olevan virheitä, jotka liittyvät typen välisijaan ja rajoittavat vapaiden elektronien tiheyden kasvamista suurilla säteilytysannoksilla.