Waterstof Passiveert Koolstof Onzuiverheden in Mg-gedoteerde GaN, Verbeterende p-GaN Prestaties

Samenvatting

Het effect van ongewild gedoteerde waterstof op de eigenschappen van Mg-gedoteerde p-GaN monsters gegroeid via metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) wordt onderzocht door kamertemperatuur fotoluminescentie (PL) en Hall en secundaire ionen massa spectroscopie (SIMS) metingen. Er is een interactie gevonden tussen de residuele waterstof en koolstof onzuiverheden. Een toename van de koolstof doping concentratie kan de resistiviteit van de p-GaN verhogen en de blauwe luminescentie (BL) band intensiteit verzwakken. Echter, toen de waterstof incorporatie toenem met de koolstof doping concentratie, wordt de toename van resistiviteit veroorzaakt door koolstof onzuiverheid verzwakt en de BL band intensiteit versterkt. Dit suggereert dat de co-gedoteerde waterstof niet alleen Mg_Ga passiveert, maar ook koolstof onzuiverheden in Mg-gedoteerde p-GaN kan passiveren.

Inleiding

GaN-gebaseerde derde generatie halfgeleider materialen en hun legeringen hebben grote aandacht getrokken [1] vanwege hun brede toepassingen inclusief licht-emitterende diodes (LEDs) [2-4] en laser diodes (LDs) [5-7]. Hoewel GaN-gebaseerde fotonische apparaten breed gecommercialiseerd zijn, beperken de relatief lage gatconcentratie en hoge resistiviteit van p-type GaN nog steeds de prestaties van dergelijke apparaten aanzienlijk [8, 9]. Veel onderzoek is gedaan om de p-type doping efficiëntie voor III-nitriden te verbeteren [10, 11]. Waterstof en koolstof zijn twee hoofd residuele onzuiverheden die bestaan in metaal-organische chemische afzetting (MOCVD)-gegroeide Mg-gedoteerde GaN epitaxiale lagen. Het is bekend dat waterstof onzuiverheden Mg in p-GaN kunnen passiveren [12]. Aan de andere kant kunnen koolstof onzuiverheden veel soorten defecten vormen en de resistiviteit van Mg-gedoteerde p-GaN verhogen. Veel onderzoek is gedaan om de waterstof en koolstof onzuiverheden te verminderen. Echter, er zijn weinig onderzoeken over de interactie van waterstof en koolstof onzuiverheden.

Het is bekend dat te veel residuele onzuiverheid van zowel waterstof als koolstof hoge resistiviteit kan veroorzaken in as-gegroeide Mg-gedoteerde GaN films. Vanwege de H-bevattende MOCVD groeiomgeving, wordt Mg altijd gepassiveerd door waterstof onzuiverheden, en een neutraal Mg–H binding complex kan gevormd worden tijdens filmgroei [13]. Gelukkig, op een opmerkelijke manier, heeft de groep van Nakamura et al. [12] voor het eerst gedemonstreerd dat snelle thermische anealing in N₂ omgeving bij een temperatuur > 700 °C met succes Mg–H complexen kan dissociëren en effectief waterstofatomen kan verwijderen uit Mg-gedoteerde GaN films.

De afgelopen jaren, met het onderzoek en de ontwikkeling van lange-golflengte meervoudige-kwantumput (MQW) apparaten, zijn hoge-indium-inhoud InGaN/GaN lagen breed gebruikt als actieve lagen. Om segregatie en structurele degradatie van MQW te voorkomen, zijn relatief lage groeitemperatuur (< 1000 °C) en relatief lage snelle thermische anealing temperatuur vereist. Echter, de ongewild gedoteerde koolstof onzuiverheid concentratie neemt toe met dalende groeitemperatuur, wat leidt tot een hogere concentratie van koolstof onzuiverheid-gerelateerde defecten in GaN, bestaande in de vormen van substitutie defecten (C_N), interstitiële defecten (C_i), en complexen [14, 15]. Deze defecten kunnen fungeren als donoren of diepe-acceptor soorten en de resistiviteit van p-GaN aanzienlijk verhogen [16]. Als resultaat tonen laagtemperatuur (LT)-gegroeide Mg-gedoteerde p-type GaN films vaak een hogere resistiviteit dan die gegroeid bij hogere temperatuur. Tegen onze verwachtingen in, heeft ons onderzoek gevonden dat p-GaN films met zowel hoge concentratie waterstof als koolstof onzuiverheden relatief lage resistiviteit tonen.

In dit werk worden drie sets Mg-gedoteerde GaN films met verschillende concentraties waterstof en koolstof residuele onzuiverheden onderzocht door secundaire ionen massa spectroscopie (SIMS), fotoluminescentie (PL), en Hall metingen. Er wordt gevonden dat waterstof de koolstof onzuiverheden in de p-GaN kan passiveren, wat een nieuwe richting wijst om hoogwaardige p-type GaN film te groeien.

Experimentele Methodes

Het is nog onbekend hoe de residuele waterstofconcentratie te controleren door MOCVD groeicondities in te stellen. Dus, onze monsters zijn verdeeld in verschillende groepen gebaseerd op SIMS resultaten in plaats van groeicondities, met vergelijkbare Mg concentratie in elke groep.

In dit werk worden een aantal Mg-gedoteerde GaN films gegroeid op een 2-μm-dikke ongewild gedoteerde GaN laag template in een metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) systeem. Trimethylgallium (TMGa), ammonia (NH₃), en bis-cyclopentadienyl-magnesium (Cp₂Mg) worden gebruikt als de precursors voor Ga, N, en Mg, respectievelijk. De groeitemperatuur van alle p-GaN monsters is relatief laag bij 1020 °C. De Mg doping concentratie wordt voornamelijk aangepast door Cp₂Mg stroomsnelheid. De residuele koolstof onzuiverheid concentratie wordt voornamelijk aangepast door NH₃ stroomsnelheid tijdens MOCVD—meer NH₃ correspondeert met minder koolstof onzuiverheid [17]. De snelle thermische anealing wordt uitgevoerd in een stikstofomgeving bij een temperatuur van 800 °C gedurende 3 min om de Mg–H complexen te de-passiveren.

Hall test wordt uitgevoerd om de resistiviteit van p-GaN monsters te meten. Om ohmisch contact op p-type GaN te maken, wordt gesmolten indium metaal op een monsteroppervlak aangebracht en fungeert als metaalelektrode. Om de concentraties van magnesium, waterstof, koolstof, en zuurstof onzuiverheden, [Mg], [C], [H], [O], te controleren, worden secundaire ionen massa spectroscopie (SIMS) metingen van deze p-GaN monsters genomen. Zeven monsters zijn geselecteerd vanwege de geschikte Mg concentratie en verdeeld in drie groepen, vergelijkbare Mg concentratie in elke groep, genaamd A1, A2, A3, B1, B2, en C1, C2.

Kamertemperatuur fotoluminescentie (PL) metingen van alle monsters worden uitgevoerd door de 325-nm golflengte van een He–Cd laser bij een opwekkingsdichtheid van ongeveer 0,4 W/cm². De luminescentie intensiteit wordt genormaliseerd door de nabij-bandrand emissie luminescentie intensiteit (rond 3,44 eV) voor analyse.

Resultaten en Discussie

De resultaten van Hall test en SIMS meting worden getoond in Tabel 1. Gebaseerd op de SIMS resultaten van Mg, C, en H concentratie metingen, worden de zeven monsters verdeeld in drie groepen A, B, en C. Monsters in elke groep moeten vergelijkbaar zijn met Mg concentratie, omdat Mg de primaire acceptor is in p-GaN en de geleiding van p-GaN voornamelijk door Mg veroorzaakt wordt. Dus, als we de invloed van H en C onzuiverheid op resistiviteit willen onderzoeken, moeten we Mg concentratie constant houden in elke groep. De gezamenlijke invloed van dopingconcentraties van deze onzuiverheden op de monste eigenschap, voornamelijk de p-type elektrische resistiviteit, wordt geanalyseerd. De dopingconcentratie van magnesium in deze monsters is erg hoog (in 10¹⁹~3 × 10¹⁹ cm⁻³) en heeft geen opmerkelijk verschil voor de monsters in elke groep. De concentratie van zuurstof is laag genoeg (10¹⁶ cm⁻³) en kan uit verdere overweging genomen worden.

In groep A veroorzaakt de toename van koolstof onzuiverheden een enorme resistiviteitstoename van de p-GaN, terwijl in groep B de toename van waterstof samen met koolstof onzuiverheden deze trend verzwakt. En groep C wordt gebruikt om de invloed op BL band verder te onderzoeken.

Het kan gezien worden in Tabel 1 en Fig. 1 dat voor monsters A1–A3, de concentratie van koolstof onzuiverheid dramatisch toeneemt, met twee ordes van grootte van 1,17 × 10¹⁷ tot 1,12 × 10¹⁹ cm⁻³, maar de concentraties van magnesium, waterstof, en zuurstof veranderen slechts weinig. Uit eerdere onderzoek realiseerden we ons dat hoewel de dopingconcentratie van magnesium erg hoog is, de gatconcentratie nog steeds twee ordes van grootte lager is dan magnesium vanwege de lage ionisatiesnelheid en hoge mogelijkheid van zelfcompensatie [18, 19]. In GaN heeft Mg_Ga een acceptor ionisatie-energie van 260 meV [20], een orde van grootte meer dan k_BT (ongeveer 26 meV) bij kamertemperatuur, en defecten en onzuiverheden in GaN kunnen Mg_Ga compenseren of passiveren, dus de gatconcentratie in Mg-gedoteerde GaN is ongeveer twee ordes van grootte lager dan magnesium. Daarnaast kunnen de residuele koolstof onzuiverheden ook negatieve effecten hebben op p-type GaN geleiding [16]. De resistiviteit van p-GaN monsters in serie A steeg duidelijk met toenemende koolstofconcentratie (van 1,39 tot ~ 47,7 Ω cm). Daarom kunnen de verschillen tussen monsters A1–A3 toegeschreven worden aan het verschil in koolstof onzuiverheden. Zoals beschreven in onze eerdere studie [16], kunnen koolstof onzuiverheden preferentieel de rol van donor-type compensatiecentra spelen in Mg-gedoteerde GaN films. De donoren kunnen magnesium acceptoren compenseren. Daarom neemt de resistiviteit van p-GaN toe met de toename van residuele koolstof onzuiverheid concentratie.

Aan de andere kant, in serie B, veranderen de concentraties van magnesium en zuurstof weinig in elke groep zoals getoond in Tabel 1 en Fig. 1. De koolstofconcentratie van monster B1 is veel hoger (ongeveer 20 keer) dan die van monster B2. Echter, de resistiviteit van monster B2 is redelijk dicht bij en niet veel groter dan die van monster B1. Deze trend is anders dan wat we waargenomen hebben voor groep A. Dus suggereert het dat deze verschillende trend van resistiviteitsvariatie in twee groepen toegeschreven kan worden aan het verschil in de concentratie van waterstof onzuiverheid. Voor monsters A1–A3, daalt waterstof onzuiverheid concentratie weinig, met een factor van ~ 1/3, terwijl koolstof onzuiverheid concentratie bijna twee ordes van grootte toeneemt. Integendeel, voor monsters B1–B2, neemt de concentratie van waterstof onzuiverheid toe samen met de koolstof onzuiverheid. Dus suggereert het verkregen resultaat dat waterstof incorporatie de invloed van koolstof op de resistiviteit van Mg-gedoteerde p-GaN kan verzwakken, wat een tegenwerkend effect produceert.

Om verder te onderzoeken hoe koolstof onzuiverheid magnesium acceptoren compenseert en waarom waterstof dit proces kan verzwakken, werden kamertemperatuur fotoluminescentie metingen uitgevoerd. In Fig. 2a, zoals getoond door de resultaten van PL meting van monsters A1~A3, kan een luminescentie piek bij ongeveer 2,9 eV duidelijk gezien worden. Deze blauwe luminescentie (BL) band is al decennialang bestudeerd. Het is bekend dat de BL band in p-GaN PL spectra rond 2,9 eV een duidelijke donor-acceptor paar luminescentie karakter heeft. Voor de kandidaat acceptor, is geïsoleerde Mg substitutie van Ga defect (Mg_Ga) de natuurlijke keuze. En de meest waarschijnlijke kandidaat voor de diepe donor in zeer zwaar Mg-gedoteerde GaN is een nearest neighbor complex, wat een associatie is van Mg_Ga en stikstofvacature (V_N), gevormd door zelfcompensatie [21]. Aangezien de integrale intensiteit van BL band afneemt met hogere doping van koolstof onzuiverheden (Fig. 2b), kunnen we aannemen dat koolstof onzuiverheden het aantal relevante donor-acceptor paren kunnen verminderen door magnesium acceptoren te compenseren, omdat koolstof onzuiverheden preferentieel de rol van donor-type compensatiecentra kunnen spelen in Mg-gedoteerde GaN films [16]. Het verschijnen van een sterke 2,2-eV piek voor monster A3 geeft aan dat er een groter aantal koolstof-gerelateerde defecten in monster A3 is [15].

Tegelijkertijd, ongeacht een grote toename van zowel koolstof als waterstof concentraties van B1 tot B2 in monster groep B, zijn de PL spectra van deze twee monsters redelijk vergelijkbaar. Echterlijk is er geen duidelijke BL band in monster B1 en alleen een kleine BL piek in monster B2 (Fig. 2c), misschien vanwege de relatief lagere concentratie van magnesium in serie B monsters (bijna 1 × 10¹⁹ cm⁻³) in vergelijking met groep A monsters. Daarom worden de gegevens van monsters C1 en C2 gebruikt om de interactie tussen waterstof en koolstof onzuiverheden verder te controleren.

Het is op te merken dat de Mg en C concentraties in monster C1 vergelijkbaar zijn met die in monster C2, en de resistiviteit van de twee monsters is ook vergelijkbaar. Maar het is interessant om te noteren dat BL band duidelijk verandert in de PL spectra van monster groep C.

De H concentratie in monster C2 is drie keer hoger dan die in monster C1. Figuur 3a toont dat de BL band intensiteit behoorlijk verschilt voor monsters C1 en C2. De intensiteit van BL band van C2 is veel groter, wat toegeschreven wordt aan de grotere waterstofconcentratie in dit monster. Daarnaast neemt de integrale intensiteit van BL band duidelijk toe met de toename van de concentratie van waterstof, zelfs als koolstof onzuiverheid (kan BL band verlagen) concentratie ook een beetje toeneemt op hetzelfde moment (Fig. 3b). Het impliceert dat de reden voor de toename van BL band de toename van waterstof onzuiverheden is in plaats van koolstof. Het suggereert dat waterstof en koolstof een tegenovergesteld effect kunnen hebben op BL band van p-GaN. Voor waterstof onzuiverheden, nemen we aan dat de meest waarschijnlijke manier om de BL band te versterken is om meer relevante donor-acceptor paren te vormen door C–H complexen te vormen met koolstof onzuiverheid en de koolstof onzuiverheden in Mg-gedoteerde GaN te passiveren. Dus wordt gespeculeerd dat waterstof complexen kan vormen met koolstof in het Mg-gedoteerde p-GaN monster, leidend tot een kleinere concentratie van donor-type compensatiecentra. Met andere woorden, waterstof kan koolstof passiveren en de geleiding van Mg-gedoteerde p-GaN verbeteren. Verder onderzoek is nodig om uit te zoeken hoe waterstof incorporatie te controleren om preferentieel koolstof onzuiverheid te passiveren in plaats van Mg acceptoren.

Conclusie

Samenvattend, de effecten van koolstof en waterstof onzuiverheden op Mg-gedoteerde GaN films werden onderzocht. Er is gevonden dat koolstof onzuiverheden preferentieel de rol van donor-type compensatiecentra kunnen spelen en Mg acceptor in Mg-gedoteerde GaN films compenseren. Een toename van de koolstof doping concentratie kan de resistiviteit van de p-GaN verhogen en blauwe luminescentie (BL) band intensiteit verzwakken. Echter, toen waterstof incorporatie toe nam met koolstof doping concentratie, werd de toename van resistiviteit veroorzaakt door koolstof onzuiverheid verzwakt en de BL band intensiteit versterkt, wat suggereert dat waterstof niet alleen Mg_Ga acceptoren kan passiveren, maar ook koolstof kan passiveren door C–H complex te vormen met koolstof onzuiverheid.