https://doi.org/10.15407/iopt.2020.55.109

Optoelectron. Semicond. Tech. 55, 109-116 (2020)

Ya.M. Olikh, M.D. Tymochko, V.V. Kaliuzhnyi, A.E. Belyaev


PECULIARITIES OF ACOUSTIC INDUCED CHANGES OF ELECTROPHYSICAL CHARACTERISTICS IN GaN/Al0,2Ga0,8N/GaN/AlN HETEROSTRUCTURES


We studied temperature, amplitude and time dependencies of electrophysical parameters in GaN/Al0,2Ga0,8N/GaN/AlN structures when the ultrasound (US) was switched on/off (fUS = 9 MHz). We found out the charge carriers concentration n(Т) increases and the mobility μH(Т) decreases under the ultrasonic loading. With decreasing the temperature, the effect of acoustic induced changes increases. When US switches on/off, long-term (up to ~ 500 s) relaxation of the acoustic conductivity US(t) is observed, with increasing the amplitude of the ultrasound at low temperatures the acoustic conductivity increases exponentially, and at high ones decreases exponentially.

It is established that the main mechanisms of charge carrier scattering at low temperatures (T ≤ 150 K) are ionized centers scattering and dislocations scattering; at high temperatures (T > 200 K) the charge carriers mobility is limited by polar optical phonons scattering. An acoustic deformation mechanism of charge carrier redistribution as a result of acoustic lattice deformation and corresponding additional structure piezopolarization is proposed. In our opinion, the determining factor that contributes to these effects, is the high density of boundary dislocations, as well as the change in the linear charge density on the dislocations in the process of their forced oscillations in the field of an external ultrasonic deformation.

We have also considered an alternative mechanism that related with an acoustic induced (AI) transformation of metastable DX centers and can occur simultaneously.

The mechanism of AI concentration n(Т) increase in this model is associated with a decrease of the barrier for an electron capture in DX0-state as a result of a periodic change distance between possible positions of the donor atoms (at the lattice node and non-central DX¯-state).

To study the effect allows to obtain information both about such defect structure of the material and about the nature of changes in its macroscopic characteristics under the ultrasonic loading influence. From a practical point of view, it leads to the search for new opportunities for using of ultrasound for control the physical parameters kinetics of semiconductor structures.

Keywords: ultrasound, AlGaN/GaN heterostructures, acoustic conductivity, metastable centers, Hall effect.

References

1. L. Dong, J.V. Mantese, V. Avrutin, U. Ozgur, H. Morkoc, and S.P. Alpay. Strain induced variations in band offsets and built-in electric fields in InGaN/GaN multiple quantum wells. J. Appl. Phys. 114, 043715 (2013).

https://doi.org/10.1063/1.4816254

2. Nitin Goyala, and Tor A. Fjeldly. Effects of strain relaxation on bare surface barrier height and two-dimensional electron gas in AlxGa1-xN/GaN. J. Appl. Phys. 113. 014505 (2013).

https://doi.org/10.1063/1.4773334

3. V. Talyanskii, J. Shilton, J. Cunningham et al. Quantized current in a one-dimensional channel by surface acoustic waves. Physica B. 251(1).R.140-146 (1998).

https://doi.org/10.1016/S0921-4526(98)00086-6

4. T. Sogawa, P. Santos, S. Zhang et al. Dynamic band-structure modulation of quantum wells by surface acoustic waves. Phys. Rev. B. 63(12)R.121307-1-4.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.121307

5. E. V. Kuchis. Galvanomagnitnye effekty i metody ih issledovaniya. M.: Radio i svyaz. 1990.

6. A.E. Belyaev, N.S. Boltovec, E.F. Venger i dr. Fizicheskie metody diagnostiki v mikro- i nanoelektronike. Pod obshej red. Belyaeva A.E. i Konakovoj R.V. Harkov: ISMA. 2011.

7. A.I. Vlasenko, Ya.M. Olih, R.K. Savkina. Akustostimulirovannaya aktivaciya svyazannyh defektov v tverdyh rastvorah CdHgTe. FTP. 33(4). S. 410-414 (1999).

https://doi.org/10.1134/1.1187701

8. Ya.M. Olikh, M.D. Tymochko, O.Ya.Olikh, and V.A. Shenderovsky. Clusters of Point Defects Near Dislocations as a Tool to Control CdZnTe Electrical Parameters by Ultrasound. Journal of Electronic Materials. 47(8). R. 4370-4378 (2018).

https://doi.org/10.1007/s11664-018-6332-4

9. Ultrazvuk. Malenkaya enciklopediya, gl. red. I.P. Golyamina. M.: Sov. Enciklopediya. 1979.

10. J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, W. J. Schaff, and L. F. Eastman. Scattering mechanisms limiting two-dimensional electron gas mobility in Al0.25Ga0.75N/GaN modulation-doped field-effect transistors J. Appl. Phys. 87, 3900 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.372432

11. R. Zeisel, M.W. Bayerl, S.T.B. Goennenwein, et al. DX-behavior of Si in AlN. Phys. Rev. B. 61, R16283 (2000).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.R16283

12. I.P. Smorchkova, C.R. Elsass, J.P. Ibbetson, et al. Polarization-induced charge and electron mobility in AlGaN/GaN heterostructures grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy. J. Appl. Phys. 86(8), 4520 (1999).

https://doi.org/10.1063/1.371396

13. A. Saxler, P. Debray, R. Perrin, et al. Characterization of an AlGaN/GaN two-dimensional electron gas structure. J. Appl. Phys. 87(1), 369 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.371869

14. S. Elhamri, A. Saxler, W.C. Mitchel, et al. Persistent photoconductivity study in a high mobility AlGaN/GaN heterostructure. J. Appl. Phys. 88(11), 6583 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.1322386

15. M.J. Manfra, N.G. Weimann, J.W.P. Hsu, et al. High mobility AlGaN/GaN heterostructures grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on semi-insulating GaN templates prepared by hydride vapor phase epitaxy. J. Appl. Phys. 92(1), 338 (2002).

https://doi.org/10.1063/1.1484227

16. E. Frayssinet, W. Knap, P. Lorenzini, et al. High electron mobility in AlGaN/Gan heterostructures grown on bulk GaN substrates. Appl. Phys. Lett. 77(16), 2551 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.1318236

17. D.Y. Protasov, T.V. Malin, A.V. Tikhonov et al. Electron scattering in AlGaN/GaN heterostructures with a two-dimensional electron gas. Semiconductors 47.R. 33-44 (2013).

https://doi.org/10.1134/S1063782613010181

18. I. V. Ostrovskij, O. A. Korotchenkov. Akustokombinacionnoe rasseyanie sveta v tverdyh telah. FTT. 32(12). S. 3687-3689 (1990).

19. I. A. Buyanova, A. U. Savchuk, M. K. Sheinkman, M. Kittler. Influence of subthreshold ultrasound treatment on the recombination properties of dislocations in GexSi1-x-Si heterostructures. Semicond. Sci. Technol. 9(11).R. 2042-2046 (1994).

https://doi.org/10.1088/0268-1242/9/11/002

20. Rasseyanie sveta v tverdom tele [pod red. M. Kardoni]. M. : Mir. 1979.

21. O. Ambacher, J. Smart, J. R. Shealy, et al. Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures. J. Appl. Phys. 85. R. 3222-3233 (1999).

https://doi.org/10.1063/1.369664

22. I.V. Ostrovskij. Akustolyuminescenciya i defekty v kristallah. K. : Visha shkola. 1995.

23. M. D. McCluskey, C. G. Van de Walle, N. M. Johnson, D. P. Bour and M. Kneissl. DX centers in AlGaN. International Journal of Modern Physics B. 13(11). R. 1363-1378 (1999).

https://doi.org/10.1142/S0217979299001442

24. F. Aristone, B. Goutiers, J.L. Gauffier, and L. Dmowski. Effect of DX centers in the vertical transport properties of semiconductor superlattices. Braz. J. Phys. 30(1). R.172-175 (2000).

https://doi.org/10.1590/S0103-97332000000100018

25. A.E. Belyaev, H.Yu. fon Bardeleben, E.I. Oborina i dr. Inducirovannoe ultrazvukom preobrazovanie DX-centrov v AlGaAs:Si. FTP. 28(9). S.1544-1549 (1994).

Я.М. Оліх, М.Д. Тимочко, В.В. Калюжний, О.Є. Бєляєв

Особливості акустоіндукованих змін електрофізичних характеристик у гетероструктурах GaN/Al0,2Ga0,8N/GaN/AlN

Досліджено температурні, амплітудні та часові характеристики електрофізичних параметрів структур GaN/Al0,2Ga0,8N/GaN/AlN при ввімкненні/вимкненні ультразвуку (fУЗ = 9 МГц). Встановлено, що при ультразвуковому навантаженні відбувається зростання концентрації n(Т) та зменшення рухливості носіїв заряду μH(Т); при зниженні температури ефект акустично індукованих змін зростає. При ввімкненні та вимкненні ультразвуку спостерігалися довготривалі (до ~500 с) релаксації акустопровідності УЗ(t), при збільшенні амплітуди ультразвукового напруження τУЗ за низьких температур акустопровідність експоненційно зростає, а за високих – експоненційно зменшується.

Встановлено, що основними механізмами розсіювання носіїв заряду в області низьких температур (Т ≤ 150 К) є розсіювання на заряджених центрах та на дислокаціях; в області високих (Т > 200 К) рухливість обмежена розсіюванням на полярних оптичних фононах. Запропоновано акустодеформаційний механізм перерозподілу носіїв заряду в результаті акустичної деформації гратки та відповідної додаткової п’єзополяризації структури. Розглядається також альтернативний механізм, який може відбуватися одночасно і пов'язаний з акустоіндукованою перебудовою метастабільних DX–центрів.

Вивчення ефекту дозволяє отримати інформацію як про саму дефектну структуру матеріалу, так і про природу змін його макроскопічних характеристик під дією ультразвукового навантаження. З практичного боку це сприяє пошуку нових можливостей використання ультразвуку для керування кінетикою фізичних параметрів напівпровідникових структур.

Ключові слова: ультразвук, гетероструктури GaN/AlGaN/GaN/AlN, акустопровідність, метастабільні центри, деформаційний механізм, ефект Холла.