Rev. Phys. Appl. (Paris) 25, 489-497 (1990)
DOI: 10.1051/rphysap:01990002506048900

Qualité diélectrique de couches minces isolantes de GaN obtenues par pulvérisation cathodique réactive

R. Carin

LERMAT, URA CNRS 1317, ISMRA, Université, 14032 Caen, France

Abstract
The dielectric properties of GaN insulating films grown at 150 °C by reactive sputtering are investigated for device purposes : realization of MIS structures and passivation of GaAs. The dispersion of the optical index is obtained by reflexion measurements with a spectrophotometer. The permittivity is deduced from capacitive measurements : its value is εr = 12.4 ± 0.5 between 10^3 and 10^7 Hz, and shows a dispersion at lower frequencies. The conductivity is dominated by the Poole-Frenkel effect. Its value can reach 10^-13 Ω-1 cm-1 at low fields. The breakdown field is around 1.5 MV cm-1. A comparative study is performed for AlN films deposited by a similar process. Finally, the limits of the use of GaN as an insulator for MIS structures are analyzed.

Résumé
Les propriétés diélectriques de couches minces isolantes de GaN, obtenues à 150 °C par pulvérisation cathodique réactive, sont analysées à température ambiante avec, comme perspectives, la réalisation de structures MIS et la passivation de GaAs. La dispersion de l'indice optique est déterminée par spectrophotométrie. La permittivité, déduite de mesures capacitives, est ε r = 12,4 ± 0,5 dans le domaine 10^3-10^7 Hz ; elle présente une dispersion à plus basse fréquence. La conductivité, dominée par l'effet Poole-Frenkel, atteint 10^-13 Ω -1 cm-1 à faible champ. Le champ de claquage est de 1,5 MV cm-1. Une étude comparative de ces propriétés est menée simultanément pour des couches minces de AlN obtenues par le même procédé. Enfin sont analysées les limitations de l'emploi de GaN comme isolant dans des structures MIS.

PACS
7720 - Dielectric permittivity.
7820D - Optical constants and parameters condensed matter.
7360H - Electrical properties of insulators thin films/low dimensional structures.
7220H - High field transport and nonlinear effects semiconductors/insulators.
7755 - Dielectric thin films.

Key words
dielectric thin films -- electronic conduction in insulating thin films -- gallium compounds -- III V semiconductors -- insulating thin films -- metal insulator semiconductor structures -- refractive index -- semiconductor thin films -- sputtered coatings -- semiconductors -- insulating films -- reactive sputtering -- device purposes -- MIS structures -- optical index -- reflexion measurements -- spectrophotometer -- permittivity -- capacitive measurements -- conductivity -- Poole Frenkel effect -- breakdown field -- AlN films -- 10 sup 3 to 10 sup 7 Hz -- GaN