Wasserstoff kann Kohlenstoffverunreinigungen in Mg-dotiertem GaN passivieren

Einführung

GaN-basierte Halbleitermaterialien der dritten Generation und ihre Legierungen haben aufgrund ihrer breiten Anwendungsmöglichkeiten, einschließlich Leuchtdioden (LEDs) [2,3,4] und Laserdioden (LDs) [5,6,7 ]. Obwohl GaN-basierte photonische Bauelemente weit verbreitet sind, schränken die relativ niedrige Lochkonzentration und der hohe spezifische Widerstand von p-Typ-GaN die Leistung solcher Bauelemente immer noch erheblich ein [8, 9]. Es wurde viel geforscht, um die Dotierungseffizienz vom p-Typ für III-Nitride zu verbessern [10, 11]. Wasserstoff und Kohlenstoff sind zwei Hauptrestverunreinigungen, die in den metallorganischen chemischen Abscheidung (MOCVD)-gewachsenen Mg-dotierten GaN-Epischichten vorhanden sind. Es ist bekannt, dass Wasserstoffverunreinigungen Mg in p-GaN passivieren können [12]. Andererseits können Kohlenstoffverunreinigungen viele Arten von Defekten bilden und den spezifischen Widerstand von Mg-dotiertem p-GaN erhöhen. Es wurde viel geforscht, um die Wasserstoff- und Kohlenstoffverunreinigungen zu verringern. Es gibt jedoch nur wenige Untersuchungen zur Wechselwirkung von Wasserstoff- und Kohlenstoffverunreinigungen.

Es ist bekannt, dass zu viel Restverunreinigung von entweder Wasserstoff oder Kohlenstoff einen hohen spezifischen Widerstand in gewachsenen Mg-dotierten GaN-Filmen verursachen kann. Aufgrund der H-haltigen MOCVD-Wachstumsumgebung wird Mg immer durch Wasserstoffverunreinigungen passiviert, und während des Filmwachstums kann ein neutraler Mg-H-Bindungskomplex gebildet werden [13]. Glücklicherweise hat die Gruppe von Nakamura et al. [12] hat erstmals gezeigt, dass schnelles thermisches Glühen in N₂ Umgebungstemperatur bei einer Temperatur > 700 °C können erfolgreich Mg-H-Komplexe dissoziieren und die Wasserstoffatome effektiv aus Mg-dotierten GaN-Filmen entfernen.

In den letzten Jahren wurden im Zuge der Forschung und Entwicklung von langwelligen Mehrfach-Quanten-Well-(MQW)-Vorrichtungen InGaN/GaN-Schichten mit hohem Indiumgehalt als aktive Schichten weit verbreitet verwendet. Um die Seigerung und den strukturellen Abbau von MQW zu vermeiden, sind eine relativ niedrige Wachstumstemperatur (< 1000 °C) und eine relativ niedrige Temperatur des schnellen thermischen Glühens erforderlich. Allerdings nimmt die Konzentration der ungewollt dotierten Kohlenstoffverunreinigungen mit abnehmender Wachstumstemperatur zu, was zu einer höheren Konzentration von Kohlenstoffverunreinigungs-bezogenen Defekten in GaN führt, die in Form von Substitutionsdefekten (C_N ), interstitielle Defekte (C_i ) und Komplexe [14, 15]. Diese Defekte können entweder als Donor- oder Deep-Akzeptor-Spezies wirken und den spezifischen Widerstand von p-GaN signifikant erhöhen [16]. Als Ergebnis zeigen die bei niedriger Temperatur (LT) gezüchteten Mg-dotierten p-GaN-Filme oft einen höheren spezifischen Widerstand als die bei höherer Temperatur gezüchteten. Im Gegensatz zu unseren Erwartungen haben unsere Untersuchungen ergeben, dass p-GaN-Filme mit einer hohen Konzentration an Wasserstoff- und Kohlenstoffverunreinigungen einen relativ geringen spezifischen Widerstand aufweisen.

In dieser Arbeit werden drei Sätze von Mg-dotierten GaN-Filmen mit unterschiedlichen Konzentrationen von Wasserstoff- und Kohlenstoffrestverunreinigungen durch Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS), Photolumineszenz (PL) und Hall-Messungen untersucht. Es hat sich herausgestellt, dass Wasserstoff die Kohlenstoffverunreinigungen im p-GaN passivieren kann, was eine neue Richtung beim Wachsen eines hochwertigen p-Typ-GaN-Films aufzeigt.

Experimentelle Methoden

Es bleibt noch unbekannt, wie die restliche Wasserstoffkonzentration durch Einstellen der MOCVD-Wachstumsbedingungen gesteuert werden kann. Daher werden unsere Proben basierend auf den SIMS-Ergebnissen und nicht auf den Wachstumsbedingungen in verschiedene Gruppen eingeteilt, mit ähnlicher Mg-Konzentration in jeder Gruppe.

In dieser Arbeit werden mehrere Mg-dotierte GaN-Filme auf einer 2 µm dicken, unbeabsichtigt dotierten GaN-Schichtvorlage in einem metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungssystem (MOCVD) aufgewachsen. Trimethylgallium (TMGa), Ammoniak (NH₃ .) ) und Bis-cyclopentadienyl-magnesium (Cp₂ Mg) werden als Vorläufer für Ga, N bzw. Mg verwendet. Die Wachstumstemperatur aller p-GaN-Proben ist mit 1020 °C relativ niedrig. Die Mg-Dotierungskonzentration wird hauptsächlich durch Cp₂ . eingestellt Mg-Flussrate. Die Konzentration der verbleibenden Kohlenstoffverunreinigung wird hauptsächlich durch NH₃ . eingestellt Flussrate während MOCVD – mehr NH₃ entspricht weniger Kohlenstoffverunreinigung [17]. Das schnelle thermische Tempern wird in einer Stickstoffumgebung bei einer Temperatur von 800°C für 3 min durchgeführt, um die Mg-H-Komplexe zu depassivieren.

Der Hall-Test wird durchgeführt, um den spezifischen Widerstand von p-GaN-Proben zu messen. Um einen ohmschen Kontakt mit p-GaN herzustellen, wird geschmolzenes Indiummetall auf eine Probenoberfläche gespitzt und wirkt als Metallelektrode. Um die Konzentrationen von Magnesium-, Wasserstoff-, Kohlenstoff- und Sauerstoffverunreinigungen [Mg], [C], [H], [O] zu überprüfen, werden Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS)-Messungen dieser p-GaN-Proben durchgeführt. Sieben Proben werden aufgrund der geeigneten Mg-Konzentration ausgewählt und in drei Gruppen unterteilt, wobei in jeder Gruppe eine ähnliche Mg-Konzentration vorliegt, die als A1, A2, A3, B1, B2 und C1, C2 bezeichnet wird.

Photolumineszenzmessungen (PL) bei Raumtemperatur aller Proben werden mit der 325-nm-Wellenlänge eines He-Cd-Lasers bei einer Anregungsdichte von etwa 0,4 W/cm ² . durchgeführt . Die Lumineszenzintensität wird durch die Emissionslumineszenzintensität am nahen Bandrand (bei etwa 3,44 eV) normalisiert ¹ zur Analyse.

Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse des Hall-Tests und der SIMS-Messung sind in Tabelle 1 aufgeführt. Basierend auf den SIMS-Ergebnissen der Mg-, C- und H-Konzentrationsmessungen werden die sieben Proben in drei Gruppen A, B und C eingeteilt ähnlich der Mg-Konzentration sein, da Mg der Hauptakzeptor in p-GaN ist und die Leitfähigkeit von p-GaN hauptsächlich durch Mg verursacht wird. Wenn wir also den Einfluss von H- und C-Verunreinigungen auf den spezifischen Widerstand untersuchen wollen, sollten wir die Mg-Konzentrationsinvariabilität in jeder Gruppe beibehalten. Der gemeinsame Einfluss der Dotierungskonzentrationen dieser Verunreinigungen auf die Probeneigenschaft, hauptsächlich den spezifischen elektrischen Widerstand des p-Typs, wird analysiert. Die Dotierungskonzentration von Magnesium in diesen Proben ist sehr hoch (in 10 ¹⁹ ~3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) und weist keinen bemerkenswerten Unterschied für die Proben in jeder Gruppe auf. Die Sauerstoffkonzentration ist niedrig genug (10 ¹⁶ cm ⁻³ ) und kann nicht weiter berücksichtigt werden.

In Gruppe A verursacht der Anstieg von Kohlenstoffverunreinigungen einen enormen Anstieg des spezifischen Widerstands von p-GaN, während in Gruppe B der Anstieg von Wasserstoff zusammen mit Kohlenstoffverunreinigungen diesen Trend schwächt. Und Gruppe C wird eingesetzt, um den Einfluss auf das BL-Band weiter zu untersuchen.

In Tabelle 1 und Abb. 1 ist zu sehen, dass für die Proben A1–A3 die Konzentration der Kohlenstoffverunreinigung dramatisch ansteigt und sich von 1,17 × 10 ¹⁷ . um zwei Größenordnungen ändert bis 1,12 × 10 ¹⁹ cm ^− 3 , aber die Konzentrationen von Magnesium, Wasserstoff und Sauerstoff ändern sich nur wenig. Aus früheren Untersuchungen haben wir erkannt, dass die Dotierungskonzentration von Magnesium zwar sehr hoch ist, aber aufgrund der geringen Ionisierungsrate und der hohen Möglichkeit der Selbstkompensation die Lochkonzentration immer noch um zwei Größenordnungen niedriger ist als bei Magnesium [18, 19]. In GaN, Mg_Ga hat eine Akzeptor-Ionisationsenergie von 260 meV [20], eine Größenordnung von mehr als k_B T (ca. 26 meV) bei Raumtemperatur und Defekte und Verunreinigungen in GaN können Mg_Ga . kompensieren oder passivieren , daher ist die Lochkonzentration in Mg-dotiertem GaN etwa zwei Größenordnungen niedriger als bei Magnesium. Darüber hinaus können die restlichen Kohlenstoffverunreinigungen auch negative Auswirkungen auf die p-Typ-GaN-Leitfähigkeit haben [16]. Der spezifische Widerstand von p-GaN-Proben in Serie A stieg offensichtlich mit steigender Kohlenstoffkonzentration (von 1,39 auf ~   47,7  Ω cm). Daher können die Unterschiede zwischen den Proben A1–A3 auf den Unterschied der Kohlenstoffverunreinigungen zurückgeführt werden. Wie in unserer vorherigen Studie [16] beschrieben, können Kohlenstoffverunreinigungen vorzugsweise die Rolle von Kompensationszentren vom Donortyp in Mg-dotierten GaN-Filmen spielen. Die Donatoren können Magnesiumakzeptoren kompensieren. Daher nimmt der spezifische Widerstand von p-GaN mit dem Anstieg der Konzentration der restlichen Kohlenstoffverunreinigungen zu.

Der spezifische Widerstand der Proben ändert sich mit der C-Konzentration in den Gruppen A und B

Andererseits ändern sich in Serie B die Konzentrationen von Magnesium und Sauerstoff in jeder Gruppe wenig, wie in Tabelle 1 und 1 gezeigt. Die Kohlenstoffkonzentration von Probe B1 ist viel höher (etwa das 20-fache) als die von Probe B2. Der spezifische Widerstand von Probe B2 liegt jedoch ziemlich nahe bei und ist nicht viel größer als der von Probe B1. Dieser Trend unterscheidet sich von dem, was wir für Gruppe A beobachtet haben. Daher deutet dies darauf hin, dass dieser unterschiedliche Trend der Widerstandsvariation in zwei Gruppen auf den Unterschied in der Konzentration von Wasserstoffverunreinigungen zurückzuführen ist. Für die Proben A1–A3 nimmt die Konzentration der Wasserstoffverunreinigungen mit einem Faktor von ~ 1/3 geringfügig ab, während die Konzentration der Kohlenstoffverunreinigungen um fast zwei Größenordnungen ansteigt. Im Gegensatz dazu steigt bei den Proben B1–B2 die Konzentration der Wasserstoffverunreinigung zusammen mit der Kohlenstoffverunreinigung. Somit legt das erhaltene Ergebnis nahe, dass der Einbau von Wasserstoff den Einfluss von Kohlenstoff auf den spezifischen Widerstand von Mg-dotiertem p-GaN schwächen kann, wodurch ein Gegenwirkungseffekt erzeugt wird.

Um weiter zu untersuchen, wie Kohlenstoffverunreinigungen Magnesiumakzeptoren kompensieren und warum Wasserstoff diesen Prozess abschwächen kann, wurden Photolumineszenzmessungen bei Raumtemperatur durchgeführt. In Fig. 2a ist, wie durch die Ergebnisse der PL-Messung der Proben A1 bis A3 gezeigt, offensichtlich ein Lumineszenzpeak bei etwa 2,9 eV zu sehen. Diese blaue Lumineszenz (BL)-Bande wird bereits seit Jahrzehnten untersucht. Es ist bekannt, dass die BL-Bande in p-GaN-PL-Spektren um 2.9 eV einen ausgeprägten Donor-Akzeptor-Paar-Lumineszenz-Charakter hat. Für den Akzeptorkandidaten isolierter Mg-Ersatz eines Ga-Defekts (Mg_Ga ) ist die natürliche Wahl. Und der wahrscheinlichste Kandidat für den tiefen Donor in sehr stark Mg-dotiertem GaN ist ein nächster Nachbarkomplex, der ein Assoziat von Mg_Ga . ist und Stickstoffleerstelle (V_N ), gebildet durch Selbstkompensation [21]. Da die integrale Intensität der BL-Bande mit höherer Dotierung von Kohlenstoffverunreinigungen abnimmt (Abb. 2b), können wir davon ausgehen, dass Kohlenstoffverunreinigungen die Anzahl relevanter Donor-Akzeptor-Paare durch Kompensation von Magnesiumakzeptoren verringern können, da Kohlenstoffverunreinigungen vorzugsweise die Rolle von Kompensationszentren vom Donortyp in Mg-dotierten GaN-Filmen [16]. Das Auftreten eines starken 2,2-eV-Peaks für Probe A3 weist darauf hin, dass Probe A3 eine größere Anzahl von kohlenstoffbezogenen Defekten aufweist [15].

a Die Ergebnisse der normalisierten PL-Intensität der Proben A1~A3. b Die integrale PL (ausgefülltes Dreieck) Intensität und C (ausgefülltes Quadrat) und H (ausgefüllter Kreis) Konzentrationen für die Proben A1~A3. c Die Ergebnisse der normalisierten PL-Intensität der Proben B1 und B2

Ungeachtet eines starken Anstiegs sowohl der Kohlenstoff- als auch der Wasserstoffkonzentration von B1 auf B2 in der Probengruppe B sind die PL-Spektren dieser beiden Proben ziemlich ähnlich. Tatsächlich gibt es keine offensichtliche BL-Bande in Probe B1 und nur einen kleinen BL-Peak in Probe B2 (Abb. 2c), möglicherweise wegen der relativ niedrigeren Magnesiumkonzentration in den Proben der Serie B (fast 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) im Vergleich zu Proben der Gruppe A. Daher werden die Daten der Proben C1 und C2 verwendet, um die Wechselwirkung zwischen Wasserstoff- und Kohlenstoffverunreinigungen weiter zu überprüfen.

Es ist anzumerken, dass die Mg- und C-Konzentrationen in Probe C1 denen in Probe C2 ähnlich sind und der spezifische Widerstand der beiden Proben ebenfalls ähnlich ist. Es ist jedoch interessant festzustellen, dass sich die BL-Bande in den PL-Spektren der Probengruppe C offensichtlich ändert.

Die H-Konzentration in Probe C2 ist dreimal höher als in Probe C1. Abbildung 3a zeigt, dass die Intensität der BL-Bande für die Proben C1 und C2 ziemlich unterschiedlich ist. Die Intensität der BL-Bande von C2 ist viel größer, was der höheren Wasserstoffkonzentration in dieser Probe zugeschrieben wird. Außerdem nimmt die integrale Intensität der BL-Bande mit dem Anstieg der Wasserstoffkonzentration deutlich zu, obwohl gleichzeitig die Konzentration der Kohlenstoffverunreinigungen (kann die BL-Bande verringern) etwas ansteigt (Abb. 3b). Dies impliziert, dass der Grund für die Zunahme der BL-Bande die Zunahme von Wasserstoffverunreinigungen anstelle von Kohlenstoff ist. Es deutet darauf hin, dass Wasserstoff und Kohlenstoff einen gegenteiligen Effekt auf die BL-Bande von p-GaN haben könnten. Für Wasserstoffverunreinigungen nehmen wir an, dass der wahrscheinlichste Weg zur Verstärkung der BL-Bande darin besteht, relevantere Donor-Akzeptor-Paare zu bilden, indem C-H-Komplexe mit Kohlenstoffverunreinigungen gebildet und die Kohlenstoffverunreinigungen in Mg-dotiertem GaN passiviert werden. Daher wird spekuliert, dass Wasserstoff in der Mg-dotierten p-GaN-Probe Komplexe mit Kohlenstoff bilden kann, was zu einer geringeren Konzentration von Kompensationszentren vom Donortyp führt. Mit anderen Worten, Wasserstoff kann Kohlenstoff passivieren und die Leitfähigkeit von Mg-dotiertem p-GaN verbessern. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um herauszufinden, wie der Wasserstoffeinbau kontrolliert werden kann, um Kohlenstoffverunreinigungen anstelle von Mg-Akzeptoren bevorzugt zu passivieren.

a Die normalisierte PL-Intensität der Proben C1 und C2. b Integrale PL-Intensität und C- und H-Konzentration für die Proben C1 und C2

Schlussfolgerung

Zusammenfassend wurden die Auswirkungen von Kohlenstoff- und Wasserstoffverunreinigungen auf Mg-dotierte GaN-Filme untersucht. Es wurde festgestellt, dass Kohlenstoffverunreinigungen vorzugsweise die Rolle von Kompensationszentren vom Donortyp spielen und Mg-Akzeptoren in Mg-dotierten GaN-Filmen kompensieren können. Eine Erhöhung der Kohlenstoffdotierungskonzentration kann den spezifischen Widerstand des p-GaN erhöhen und die Intensität der blauen Lumineszenz (BL) schwächen. Wenn jedoch die Wasserstoffeinlagerung mit der Kohlenstoffdotierungskonzentration zunimmt, wird der durch Kohlenstoffverunreinigungen verursachte Anstieg des spezifischen Widerstands abgeschwächt und die BL-Bandintensität wird erhöht, was darauf hindeutet, dass Wasserstoff nicht nur Mg_Ga . passivieren kann Akzeptoren, können aber auch Kohlenstoff durch Bildung eines C-H-Komplexes mit Kohlenstoffverunreinigungen passivieren.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

GaN:

Galliumnitrid

InGaN:

Indium-Gallium-Nitrid

InN:

Indiumnitrid

LD:

Laserdiode

LED:

Lichtemittierendes Gerät

Mg_Ga :

Mg-Ersatz von Ga-Defekt

MOCVD:

Metallorganische chemische Abscheidung

MQW:

Mehrfachquantentopf

NH₃ :

Ammoniak

SIMS:

Sekundärionen-Massenspektroskopie

TMGa:

Trimethylgallium

TMIn:

Trimethylindium

V_N :

Stickstoff Stellenangebot