Waterstof kan koolstofonzuiverheden in Mg-gedoteerde GaN passiveren

Resultaten en discussie

De resultaten van de Hall-test en SIMS-meting worden weergegeven in Tabel 1. Op basis van de SIMS-resultaten van Mg-, C- en H-concentratiemetingen, worden de zeven monsters verdeeld in drie groepen A, B en C. Monsters in elke groep moeten vergelijkbaar zijn met de Mg-concentratie, omdat Mg de belangrijkste acceptor is in p-GaN en de geleidbaarheid van p-GaN meestal wordt veroorzaakt door Mg. Dus als we de invloed van H- en C-onzuiverheid op de weerstand willen onderzoeken, moeten we de Mg-concentratie onveranderlijk in elke groep houden. De gezamenlijke invloed van dopingconcentraties van deze onzuiverheden op de monstereigenschap, voornamelijk de p-type elektrische weerstand, wordt geanalyseerd. De dopingconcentratie van magnesium in deze monsters is erg hoog (in 10 ¹⁹ ~3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) en heeft geen opmerkelijk verschil voor de monsters in elke groep. De zuurstofconcentratie is laag genoeg (10 ¹⁶ cm ⁻³ ) en kan buiten beschouwing worden gelaten.

In groep A veroorzaakt de toename van koolstofonzuiverheden een enorme toename van de soortelijke weerstand van p-GaN, terwijl in groep B de toename van waterstof samen met koolstofonzuiverheden deze trend blijkt te verzwakken. En groep C wordt gebruikt om de invloed op de BL-band verder te onderzoeken.

In Tabel 1 en Fig. 1 is te zien dat voor monsters A1-A3 de concentratie van koolstofonzuiverheid dramatisch toeneemt, waarbij twee ordes van grootte veranderen van 1,17 × 10 ¹⁷ tot 1.12 × 10 ¹⁹ cm ^− 3 , maar de concentraties van magnesium, waterstof en zuurstof veranderen slechts weinig. Uit het vorige onderzoek realiseerden we ons dat hoewel de dopingconcentratie van magnesium erg hoog is, de gatenconcentratie in werkelijkheid nog steeds twee ordes van grootte lager is dan die van magnesium vanwege de lage ionisatiesnelheid en de grote kans op zelfcompensatie [18, 19]. In GaN, Mg_Ga heeft een acceptor-ionisatie-energie van 260 meV [20], een orde van grootte meer dan k_B T (ongeveer 26 meV) in kamertemperatuur, en defecten en onzuiverheden in GaN kunnen Mg_Ga compenseren of passiveren , dus de gatenconcentratie in met Mg gedoteerd GaN is ongeveer twee ordes van grootte lager dan die van magnesium. Bovendien kunnen de resterende koolstofonzuiverheden ook negatieve effecten hebben op de p-type GaN-geleiding [16]. De soortelijke weerstand van p-GaN-monsters in serie A nam duidelijk toe met toenemende koolstofconcentratie (van 1,39  tot ~ 47,7 Ω cm). Daarom kunnen de verschillen tussen monsters A1-A3 worden toegeschreven aan het verschil in koolstofonzuiverheden. Zoals beschreven in onze vorige studie [16], kunnen koolstofonzuiverheden bij voorkeur de rol spelen van compensatiecentra van het donortype in met Mg gedoteerde GaN-films. De donoren kunnen magnesiumacceptors compenseren. Daarom neemt de soortelijke weerstand van p-GaN toe met de stijging van de concentratie aan resterende koolstofverontreinigingen.

De soortelijke weerstand van monsters verandert met de C-concentratie in de groepen A en B

Aan de andere kant, in serie B, veranderen de concentraties van magnesium en zuurstof weinig in elke groep, zoals weergegeven in Tabel 1 en Fig. 1. De koolstofconcentratie van monster B1 is veel hoger (ongeveer 20 keer) dan die van monster B2. De soortelijke weerstand van monster B2 ligt echter vrij dicht bij en niet veel groter dan die van monster B1. Deze trend verschilt van wat we hebben waargenomen voor groep A. Het suggereert daarom dat deze verschillende trend van weerstandsvariatie in twee groepen kan worden toegeschreven aan het verschil in de concentratie van waterstofverontreiniging. Voor monsters A1-A3 neemt de waterstofverontreinigingsconcentratie weinig af, met een factor van ~ -1/3, terwijl de koolstofverontreinigingsconcentratie met bijna twee ordes van grootte toeneemt. Integendeel, voor monsters B1-B2 neemt de concentratie van waterstofverontreiniging toe samen met de koolstofverontreiniging. Het verkregen resultaat suggereert dus dat waterstofopname de invloed van koolstof op de soortelijke weerstand van met Mg gedoteerd p-GaN kan verzwakken, waardoor een tegenwerkend effect ontstaat.

Om verder te onderzoeken hoe koolstofonzuiverheid magnesiumacceptoren compenseert en waarom waterstof dit proces kan verzwakken, zijn de fotoluminescentiemetingen bij kamertemperatuur uitgevoerd. In Fig. 2a, zoals getoond door de resultaten van PL-meting van monsters A1 ~ A3, is duidelijk een luminescentiepiek bij ongeveer 2,9 eV te zien. Deze blauwe luminescentie (BL) band is al tientallen jaren onderzocht. Het is bekend dat de BL-band in p-GaN PL-spectra rond 2,9 eV een duidelijk donor-acceptorpaar luminescentiekarakter heeft. Voor de kandidaat van acceptor, geïsoleerde Mg-vervanger van Ga-defect (Mg_Ga ) is de natuurlijke keuze. En de meest mogelijke kandidaat voor de diepe donor in het zeer zwaar met Mg gedoteerde GaN is een naaste buurcomplex, dat een associatie is van Mg_Ga en stikstofleegstand (V_N ), gevormd door zelfcompensatie [21]. Aangezien de integrale intensiteit van de BL-band afneemt met hogere dotering van koolstofonzuiverheden (Fig. 2b), kunnen we aannemen dat koolstofonzuiverheden het aantal relevante donor-acceptorparen kunnen verminderen door magnesiumacceptoren te compenseren, omdat koolstofonzuiverheden bij voorkeur de rol kunnen spelen van compensatiecentra van het donortype in met Mg gedoteerde GaN-films [16]. Het verschijnen van een sterke 2,2-eV-piek voor monster A3 geeft aan dat er een groter aantal koolstofgerelateerde defecten is in monster A3 [15].

een De resultaten van genormaliseerde PL-intensiteit van monsters A1~A3. b De integrale PL (ononderbroken driehoek) intensiteit en C (ononderbroken vierkant) en H (gevulde cirkel) concentraties voor monsters A1~A3. c De resultaten van genormaliseerde PL-intensiteit van monsters B1 en B2

Ondertussen, ongeacht een grote toename van zowel koolstof- als waterstofconcentraties van B1 naar B2 in monstergroep B, lijken de PL-spectra van deze twee monsters behoorlijk op elkaar. Eigenlijk is er geen duidelijke BL-band in monster B1 en slechts een kleine BL-piek in monster B2 (Fig. 2c), misschien vanwege de relatief lagere magnesiumconcentratie in serie B-monsters (bijna 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) in vergelijking met monsters van groep A. Daarom worden de gegevens van monsters C1 en C2 gebruikt om de interactie tussen waterstof en koolstofverontreinigingen verder te controleren.

Opgemerkt wordt dat de Mg- en C-concentraties in monster C1 vergelijkbaar zijn met die in monster C2 en dat de soortelijke weerstand van de twee monsters ook vergelijkbaar is met elkaar. Maar het is interessant om op te merken dat de BL-band duidelijk verandert in de PL-spectra van samplegroep C.

De H-concentratie in monster C2 is drie keer hoger dan die in monster C1. Figuur 3a laat zien dat de intensiteit van de BL-band heel anders is voor monsters C1 en C2. De intensiteit van de BL-band van C2 is veel groter, wat wordt toegeschreven aan de grotere waterstofconcentratie in dit monster. Bovendien neemt de integrale intensiteit van de BL-band duidelijk toe met de stijging van de waterstofconcentratie, hoewel de concentratie van koolstofonzuiverheid (kan de BL-band verlagen) tegelijkertijd ook een beetje toenemen (figuur 3b). Het impliceert dat de reden voor de toename van de BL-band de toename is van waterstofverontreinigingen in plaats van koolstof. Het suggereert dat waterstof en koolstof een tegengesteld effect kunnen hebben op de BL-band van p-GaN. Voor waterstofonzuiverheden nemen we aan dat de meest waarschijnlijke manier om de BL-band te verbeteren is om meer relevante donor-acceptorparen te vormen door C-H-complexen te vormen met koolstofonzuiverheid en de koolstofonzuiverheden in met Mg gedoteerd GaN te passiveren. Er wordt dus gespeculeerd dat waterstof complexen kan vormen met koolstof in het met Mg gedoteerde p-GaN-monster, wat leidt tot een kleinere concentratie van compensatiecentra van het donortype. Met andere woorden, waterstof kan koolstof passiveren en de geleidbaarheid van met Mg gedoteerd p-GaN verbeteren. Verder onderzoek is nodig om erachter te komen hoe de waterstofopname kan worden gecontroleerd om koolstofonzuiverheid bij voorkeur te passiveren in plaats van Mg-acceptoren.

een De genormaliseerde PL-intensiteit van monsters C1 en C2. b Integrale PL-intensiteit en C- en H-concentratie voor monsters C1 en C2