El hidrógeno puede pasivar las impurezas de carbono en GaN dopado con Mg

Resumen

El efecto del hidrógeno dopado involuntariamente sobre las propiedades de las muestras de p-GaN dopadas con Mg cultivadas a través de la deposición de vapor químico organometálico (MOCVD) se investiga mediante fotoluminiscencia a temperatura ambiente (PL) y mediciones de espectroscopía de masas de iones secundarios y de Hall (SIMS). Se encuentra que existe una interacción entre el hidrógeno residual y las impurezas de carbono. Un aumento de la concentración de dopaje de carbono puede aumentar la resistividad del p-GaN y debilitar la intensidad de la banda de luminiscencia azul (BL). Sin embargo, cuando la incorporación de hidrógeno aumenta con la concentración de dopaje de carbono, el aumento de resistividad causado por la impureza de carbono se debilita y se mejora la intensidad de la banda BL. Esto sugiere que el hidrógeno codopado no solo pasiva Mg _Ga , pero también puede pasivar las impurezas de carbono en p-GaN dopado con Mg.

Introducción

Los materiales semiconductores de tercera generación basados en GaN y sus aleaciones han atraído gran atención [1] debido a sus amplias aplicaciones, incluidos los diodos emisores de luz (LED) [2,3,4] y los diodos láser (LD) [5,6,7 ]. Aunque los dispositivos fotónicos basados en GaN se comercializan ampliamente, la concentración de orificios relativamente baja y la alta resistividad del GaN de tipo p todavía limitan significativamente el rendimiento de tales dispositivos [8, 9]. Se han realizado muchas investigaciones para mejorar la eficacia del dopaje de tipo p para los nitruros III [10, 11]. El hidrógeno y el carbono son dos impurezas residuales principales que existen en las depiladoras de GaN dopadas con Mg dopadas con Mg cultivadas por deposición química metalorgánica (MOCVD). Es bien sabido que las impurezas de hidrógeno pueden pasivar el Mg en p-GaN [12]. Por otro lado, las impurezas de carbono pueden formar muchos tipos de defectos y aumentar la resistividad del p-GaN dopado con Mg. Se han realizado muchas investigaciones para disminuir las impurezas de hidrógeno y carbono. Sin embargo, existen pocas investigaciones sobre la interacción del hidrógeno y las impurezas de carbono.

Se sabe que demasiada impureza residual de hidrógeno o carbono puede causar una alta resistividad en las películas de GaN dopadas con Mg recién desarrolladas. Debido al entorno de crecimiento de MOCVD que contiene H, el Mg siempre es pasivado por las impurezas de hidrógeno y se puede formar un complejo de enlace Mg-H neutro durante el crecimiento de la película [13]. Afortunadamente, de manera notable, el grupo de Nakamura et al. [12] ha demostrado en primer lugar que el recocido térmico rápido en N ₂ ambiente a una temperatura> 700 ° C puede disociar con éxito los complejos de Mg-H y eliminar eficazmente los átomos de hidrógeno de las películas de GaN dopadas con Mg.

Durante los últimos años, con la investigación y el desarrollo de dispositivos de pozos cuánticos múltiples de longitud de onda larga (MQW), las capas de InGaN / GaN con alto contenido de indio se han utilizado ampliamente como capas activas. Para evitar la segregación y degradación estructural de MQW, se requieren una temperatura de crecimiento relativamente baja (<1000 ° C) y una temperatura de recocido térmico rápido relativamente baja. Sin embargo, la concentración de impurezas de carbono dopadas involuntariamente aumenta con la disminución de la temperatura de crecimiento, lo que conduce a una mayor concentración de defectos relacionados con las impurezas de carbono en GaN, que existen en forma de defectos de sustitución (C _N ), defectos intersticiales (C _i ) y complejos [14, 15]. Estos defectos pueden actuar como donantes o especies aceptoras profundas y aumentar significativamente la resistividad de p-GaN [16]. Como resultado, las películas de GaN de tipo p dopadas con Mg cultivadas a baja temperatura (LT) a menudo muestran una resistividad más alta que las que crecen a temperaturas más altas. Contrariamente a nuestras expectativas, nuestra investigación ha encontrado que las películas de p-GaN con alta concentración de hidrógeno y de impurezas de carbono muestran una resistividad relativamente baja.

En este trabajo, se investigan tres conjuntos de películas de GaN dopadas con Mg con diferentes concentraciones de impurezas residuales de hidrógeno y carbono mediante espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS), fotoluminiscencia (PL) y mediciones de Hall. Se ha descubierto que el hidrógeno puede pasivar las impurezas de carbono en el p-GaN, lo que indica una nueva dirección para hacer crecer una película de GaN tipo p de alta calidad.

Métodos experimentales

Aún se desconoce cómo controlar la concentración de hidrógeno residual estableciendo las condiciones de crecimiento de MOCVD. Por lo tanto, nuestras muestras se dividen en diferentes grupos según los resultados de SIMS en lugar de las condiciones de crecimiento, concentración de Mg similar en cada grupo.

En este trabajo, una cantidad de películas de GaN dopadas con Mg se cultivan en una plantilla de capa de GaN dopada no intencionalmente de 2 μm de espesor en un sistema de deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD). Trimetilgalio (TMGa), amoníaco (NH ₃ ) y bis-ciclopentadienil-magnesio (Cp ₂ Mg) se utilizan como precursores de Ga, N y Mg, respectivamente. La temperatura de crecimiento de todas las muestras de p-GaN es relativamente baja a 1020 ° C. La concentración de dopaje de Mg se ajusta principalmente mediante Cp ₂ Caudal de Mg. La concentración de impurezas de carbono residual se ajusta principalmente mediante NH ₃ caudal durante MOCVD:más NH ₃ corresponde a menos impurezas de carbono [17]. El recocido térmico rápido se lleva a cabo en un ambiente de nitrógeno a una temperatura de 800 ° C durante 3 min para despasivar los complejos de Mg – H.

La prueba de Hall se lleva a cabo para medir la resistividad de muestras de p-GaN. Para hacer contacto óhmico en el GaN de tipo p, el metal de indio fundido se apunta sobre una superficie de muestra y actúa como un electrodo metálico. Para comprobar las concentraciones de impurezas de magnesio, hidrógeno, carbono y oxígeno, [Mg], [C], [H], [O], se toman medidas de espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS) de estas muestras de p-GaN. Se seleccionan siete muestras debido a la concentración adecuada de Mg y se dividen en tres grupos, concentración de Mg similar en cada grupo, denominados A1, A2, A3, B1, B2 y C1, C2.

Las mediciones de fotoluminiscencia (PL) a temperatura ambiente de todas las muestras se llevan a cabo mediante la longitud de onda de 325 nm de un láser de He – Cd a una densidad de excitación de aproximadamente 0,4 W / cm ² . La intensidad de la luminiscencia se normaliza mediante la intensidad de la luminiscencia de la emisión cerca del borde de la banda (alrededor de 3,44 eV) ¹ por el bien del análisis.

Resultados y discusión

Los resultados de la prueba de Hall y la medición SIMS se muestran en la Tabla 1. Con base en los resultados SIMS de las mediciones de concentración de Mg, C y H, las siete muestras se dividen en tres grupos A, B y C. Las muestras de cada grupo deben ser similar a la concentración de Mg, porque Mg es el aceptor principal en p-GaN y la conductividad de p-GaN es causada principalmente por Mg. Entonces, si queremos investigar la influencia de la impureza de H y C sobre la resistividad, debemos mantener la invariabilidad de la concentración de Mg en cada grupo. Se analiza la influencia conjunta de las concentraciones de dopaje de estas impurezas sobre la propiedad de la muestra, principalmente la resistividad eléctrica de tipo p. La concentración de dopaje de magnesio en estas muestras es muy alta (en 10 ¹⁹ ~ 3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) y no tiene una diferencia notable para las muestras de cada grupo. La concentración de oxígeno es lo suficientemente baja (10 ¹⁶ cm ⁻³ ) y se puede dejar de considerar.

En el grupo A, el aumento de las impurezas de carbono provoca un tremendo aumento de resistividad del p-GaN, mientras que en el grupo B, el aumento de hidrógeno junto con las impurezas de carbono debilita esta tendencia. Y el grupo C se emplea para investigar más a fondo la influencia en la banda BL.

Puede verse en la Tabla 1 y la Fig. 1 que para las muestras A1-A3, la concentración de impurezas de carbono aumenta dramáticamente, cambiando dos órdenes de magnitud de 1,17 × 10 ¹⁷ a 1,12 × 10 ¹⁹ cm ^{- 3} , pero las concentraciones de magnesio, hidrógeno y oxígeno cambian muy poco. A partir de la investigación anterior, nos dimos cuenta de que aunque la concentración de dopaje de magnesio es muy alta, en realidad la concentración de orificios sigue siendo dos órdenes de magnitud menor que el magnesio debido a la baja tasa de ionización y la alta posibilidad de autocompensación [18, 19]. En GaN, Mg _Ga tiene una energía de ionización del aceptor de 260 meV [20], un orden de magnitud mayor que k _B T (alrededor de 26 meV) a temperatura ambiente, y existen defectos e impurezas en GaN que pueden compensar o pasivar Mg _Ga , por lo que la concentración de huecos en GaN dopado con Mg es aproximadamente dos órdenes de magnitud menor que el magnesio. Además, las impurezas de carbono residuales también pueden causar efectos negativos en la conductividad de GaN de tipo p [16]. La resistividad de las muestras de p-GaN en la serie A aumentó obviamente con el aumento de la concentración de carbono (de 1,39 a ~ 47,7 Ω cm). Por lo tanto, las diferencias entre las muestras A1-A3 se pueden atribuir a la diferencia de impurezas de carbono. Como se describe en nuestro estudio anterior [16], las impurezas de carbono pueden desempeñar preferentemente el papel de centros de compensación de tipo donante en las películas de GaN dopadas con Mg. Los donantes pueden compensar a los aceptores de magnesio. Por lo tanto, la resistividad de p-GaN aumenta con el aumento de la concentración de impurezas de carbono residual.

La resistividad de las muestras cambia con la concentración de C en los grupos A y B

Por otro lado, en la serie B, las concentraciones de magnesio y oxígeno cambian poco en cada grupo, como se muestra en la Tabla 1 y la Fig. 1. La concentración de carbono de la muestra B1 es mucho mayor (aproximadamente 20 veces) que la de la muestra B2. Sin embargo, la resistividad de la muestra B2 es bastante cercana y no mucho mayor que la de la muestra B1. Esta tendencia es diferente de la que hemos observado para el grupo A. Por lo tanto, sugiere que esta tendencia diferente de variación de resistividad en dos grupos puede atribuirse a la diferencia en la concentración de impureza de hidrógeno. Para las muestras A1-A3, la concentración de impurezas de hidrógeno disminuye poco, con un factor de ~ 1/3, mientras que la concentración de impurezas de carbono aumenta casi dos órdenes de magnitud. Por el contrario, para las muestras B1-B2, la concentración de impureza de hidrógeno aumenta junto con la impureza de carbono. Así, el resultado obtenido sugiere que la incorporación de hidrógeno puede debilitar la influencia del carbono sobre la resistividad del p-GaN dopado con Mg, produciendo un efecto de contraataque.

Para investigar más a fondo cómo la impureza de carbono compensa los aceptores de magnesio y por qué el hidrógeno puede debilitar este proceso, se llevaron a cabo las mediciones de fotoluminiscencia a temperatura ambiente. En la Fig. 2a, como se muestra por los resultados de la medición PL de las muestras A1 ~ A3, se puede ver obviamente un pico de luminiscencia a aproximadamente 2,9 eV. Esta banda de luminiscencia azul (BL) ya se ha estudiado durante décadas. Se sabe que la banda BL en los espectros de p-GaN PL alrededor de 2,9 eV tiene un carácter de luminiscencia de par donante-aceptor distinto. Para el candidato de aceptor, Mg aislado sustituto del defecto de Ga (Mg _Ga ) es la elección natural. Y el candidato más posible para el donante profundo en GaN muy dopado con Mg es un complejo vecino más cercano, que es un asociado de Mg _Ga y la vacante de nitrógeno (V _N ), formada por la autocompensación [21]. A medida que la intensidad integral de la banda BL disminuye con un mayor dopaje de las impurezas de carbono (Fig. 2b), podemos suponer que las impurezas de carbono pueden disminuir el número de pares donantes-aceptores relevantes al compensar los aceptores de magnesio, porque las impurezas de carbono pueden desempeñar preferentemente el papel de centros de compensación de tipo donante en películas de GaN dopadas con Mg [16]. La aparición de un pico fuerte de 2,2 eV para la muestra A3 indica que hay un mayor número de defectos relacionados con el carbono en la muestra A3 [15].

un Los resultados de la intensidad PL normalizada de las muestras A1 ~ A3. b La intensidad de PL (triángulo sólido) integral y las concentraciones de C (cuadrado sólido) y H (círculo sólido) para las muestras A1 ~ A3. c Los resultados de la intensidad PL normalizada de las muestras B1 y B2

Mientras tanto, independientemente de un gran aumento de las concentraciones de carbono e hidrógeno de B1 a B2 en el grupo de muestras B, los espectros PL de estas dos muestras son bastante similares entre sí. En realidad, no hay una banda BL obvia en la muestra B1 y solo un pequeño pico BL en la muestra B2 (Fig.2c), quizás debido a la concentración relativamente más baja de magnesio en las muestras de la serie B (casi 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) en comparación con las muestras del grupo A. Por lo tanto, los datos de las muestras C1 y C2 se emplean para verificar aún más la interacción entre el hidrógeno y las impurezas de carbono.

Se observa que las concentraciones de Mg y C en la muestra C1 son similares a las de la muestra C2, y la resistividad de las dos muestras también es similar entre sí. Pero es interesante notar que la banda BL cambia obviamente en los espectros PL del grupo de muestra C.

La concentración de H en la muestra C2 es tres veces mayor que la de la muestra C1. La Figura 3a muestra que la intensidad de la banda BL es bastante diferente para las muestras C1 y C2. La intensidad de la banda BL de C2 es mucho mayor, lo que se atribuye a la mayor concentración de hidrógeno en esta muestra. Además, la intensidad integral de la banda BL aumenta claramente con el aumento de la concentración de hidrógeno, aunque la concentración de impurezas de carbono (puede disminuir la banda BL) también aumenta un poco al mismo tiempo (Fig. 3b). Implica que la razón del aumento de la banda BL es el aumento de impurezas de hidrógeno en lugar de carbono. Sugiere que el hidrógeno y el carbono pueden tener un efecto opuesto en la banda BL de p-GaN. Para las impurezas de hidrógeno, asumimos que la forma más probable de mejorar la banda BL es formar pares donante-aceptor más relevantes formando complejos C-H con impurezas de carbono y pasivando las impurezas de carbono en GaN dopado con Mg. Por lo tanto, se especula que el hidrógeno puede formar complejos con el carbono en la muestra de p-GaN dopada con Mg, lo que lleva a una concentración más pequeña de centros de compensación de tipo donante. En otras palabras, el hidrógeno puede pasivar el carbono y mejorar la conductividad del p-GaN dopado con Mg. Se necesita más investigación para descubrir cómo controlar la incorporación de hidrógeno para pasivar preferentemente las impurezas de carbono en lugar de los aceptores de Mg.

un La intensidad PL normalizada de las muestras C1 y C2. b Intensidad de PL integral y concentración de C y H para las muestras C1 y C2

Conclusión

En resumen, se investigaron los efectos de las impurezas de carbono e hidrógeno en las películas de GaN dopadas con Mg. Se encuentra que las impurezas de carbono pueden desempeñar preferentemente el papel de centros de compensación de tipo donante y compensar al aceptor de Mg en películas de GaN dopadas con Mg. Un aumento de la concentración de dopaje de carbono puede aumentar la resistividad del p-GaN y debilitar la intensidad de la banda de luminiscencia azul (BL). Sin embargo, cuando la incorporación de hidrógeno aumenta con la concentración de dopaje de carbono, el aumento de resistividad causado por la impureza de carbono se debilita y la intensidad de la banda BL aumenta, lo que sugiere que el hidrógeno no solo puede pasivar Mg _Ga aceptores, pero también pueden pasivar el carbono formando un complejo C-H con impurezas de carbono.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados y / o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

GaN:: Nitruro de galio
InGaN:: Nitruro de galio indio
InN:: Nitruro de indio
LD:: Diodo láser
LED:: Dispositivo emisor de luz
Mg _Ga :: Mg sustituto del defecto de Ga
MOCVD:: Deposición química metal-orgánica
MQW:: Pozo cuántico múltiple
NH ₃ :: Amoníaco
SIMS:: Espectroscopía de masas de iones secundarios
TMGa:: Trimetilgalio
TMIn:: Trimetilindio
V _N :: Vacante de nitrógeno

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