Водород может пассивировать углеродные примеси в GaN, легированном магнием

Введение

Полупроводниковые материалы третьего поколения на основе GaN и их сплавы привлекли большое внимание [1] из-за их широкого применения, включая светодиоды (LED) [2,3,4] и лазерные диоды (LD) [5,6,7 ]. Хотя фотонные устройства на основе GaN широко коммерциализируются, относительно низкая концентрация дырок и высокое удельное сопротивление GaN p-типа по-прежнему существенно ограничивают производительность таких устройств [8, 9]. Было проведено много исследований, направленных на повышение эффективности легирования III-нитридов p-типом [10, 11]. Водород и углерод - две основные остаточные примеси, присутствующие в эпитаксиальных слоях GaN, легированных Mg при химическом осаждении металлов и органических соединений (MOCVD). Хорошо известно, что примеси водорода могут пассивировать Mg в p-GaN [12]. С другой стороны, примеси углерода могут образовывать многие виды дефектов и увеличивать удельное сопротивление p-GaN, легированного магнием. Было проведено много исследований по уменьшению примесей водорода и углерода. Однако исследований взаимодействия примесей водорода и углерода мало.

Известно, что слишком много остаточной примеси водорода или углерода может вызвать высокое удельное сопротивление в только что выращенных пленках GaN, легированных магнием. Из-за H-содержащей среды роста MOCVD Mg всегда пассивируется водородными примесями, и в процессе роста пленки может образовываться нейтральный комплекс связи Mg – H [13]. К счастью, замечательным образом группа Накамуры и др. [12] впервые продемонстрировали, что быстрый термический отжиг в N ₂ окружающая среда при температуре> 700 ° C может успешно диссоциировать комплексы Mg – H и эффективно удалять атомы водорода из пленок GaN, легированных Mg.

В последние несколько лет, благодаря исследованиям и разработкам длинноволновых устройств с множественными квантовыми ямами (MQW), слои InGaN / GaN с высоким содержанием индия широко использовались в качестве активных слоев. Чтобы избежать сегрегации и структурной деградации МКЯ, требуются относительно низкая температура роста (<1000 ° C) и относительно низкая температура быстрого термического отжига. Однако концентрация непреднамеренно легированной углеродной примеси увеличивается с понижением температуры роста, что приводит к более высокой концентрации связанных с углеродной примесью дефектов в GaN, существующих в виде дефектов замещения (C _N ), межстраничные дефекты (C _i ) и комплексы [14, 15]. Эти дефекты могут действовать как доноры или глубоко акцепторы и значительно увеличивать сопротивление p-GaN [16]. В результате низкотемпературные (НТ) пленки GaN p-типа, легированные магнием, часто показывают более высокое удельное сопротивление, чем пленки, выращенные при более высоких температурах. Вопреки нашим ожиданиям, наше исследование показало, что пленки p-GaN с высокой концентрацией водорода и примесей углерода показывают относительно низкое удельное сопротивление.

В этой работе три набора пленок GaN, легированных магнием, с различными концентрациями водорода и остаточных примесей углерода исследуются с помощью масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS), фотолюминесценции (PL) и измерений Холла. Обнаружено, что водород может пассивировать углеродные примеси в p-GaN, что указывает на новое направление роста высококачественной пленки GaN p-типа.

Экспериментальные методы

До сих пор остается неизвестным, как контролировать остаточную концентрацию водорода, задав условия роста MOCVD. Таким образом, наши образцы разделены на разные группы на основании результатов ВИМС, а не условий роста, схожая концентрация Mg в каждой группе.

В данной работе ряд пленок GaN, легированных магнием, выращивают на шаблоне слоя непреднамеренно легированного GaN толщиной 2 мкм в системе химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) металл-органические соединения. Триметилгаллий (TMGa), аммиак (NH ₃ ) и бис-циклопентадиенилмагний (Cp ₂ Mg) используются в качестве прекурсоров для Ga, N и Mg соответственно. Температура роста всех образцов p-GaN относительно невысока и составляет 1020 ° C. Концентрация легирования Mg в основном регулируется Cp ₂ Расход Mg. Концентрация остаточной примеси углерода регулируется в основном NH ₃ расход во время MOCVD - больше NH ₃ соответствует меньшей примеси углерода [17]. Быстрый термический отжиг проводят в азотной среде при температуре 800 ° C в течение 3 минут для дестассивации комплексов Mg – H.

Испытание Холла проводится для измерения удельного сопротивления образцов p-GaN. Для создания омического контакта с GaN p-типа расплавленный металлический индий направляют на поверхность образца и действуют как металлический электрод. Для проверки концентраций примесей магния, водорода, углерода и кислорода выполняются измерения [Mg], [C], [H], [O] с помощью масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS) этих образцов p-GaN. Семь образцов выбираются из-за подходящей концентрации Mg и делятся на три группы с одинаковой концентрацией Mg в каждой группе, обозначенной как A1, A2, A3, B1, B2 и C1, C2.

Измерения фотолюминесценции (ФЛ) всех образцов при комнатной температуре выполняются с использованием длины волны 325 нм He – Cd-лазера при плотности возбуждения около 0,4 Вт / см ² . Интенсивность люминесценции нормирована на интенсивность люминесценции излучения у края полосы (около 3,44 эВ) ¹ для анализа.

Результаты и обсуждение

Результаты теста Холла и измерения SIMS представлены в таблице 1. На основе результатов SIMS измерений концентрации Mg, C и H семь образцов разделены на три группы A, B и C. быть аналогичным концентрации Mg, потому что Mg является основным акцептором в p-GaN, а проводимость p-GaN в основном обусловлена ​​Mg. Итак, если мы хотим исследовать влияние примесей H и C на удельное сопротивление, мы должны сохранить неизменность концентрации Mg в каждой группе. Проанализировано совместное влияние легирующих концентраций этих примесей на свойства образца, в основном на удельное электрическое сопротивление p-типа. Легирующая концентрация магния в этих образцах очень высока (в 10 ¹⁹ ~ 3 × 10 ¹⁹ см ⁻³ ) и не имеет заметных различий для образцов в каждой группе. Концентрация кислорода достаточно низкая (10 ¹⁶ см ⁻³ ) и может быть исключена из дальнейшего рассмотрения.

В группе A рост примесей углерода вызывает огромное увеличение удельного сопротивления p-GaN, в то время как в группе B увеличение содержания водорода вместе с примесями углерода ослабляет эту тенденцию. Группа C используется для дальнейшего исследования влияния на полосу BL.

Из таблицы 1 и на рис. 1 видно, что для образцов A1 – A3 концентрация примеси углерода резко возрастает, изменяясь на два порядка от 1,17 × 10 ¹⁷ до 1,12 × 10 ¹⁹ см ^{- 3} , но концентрации магния, водорода и кислорода меняются мало. Из предыдущих исследований мы поняли, что, хотя концентрация легирования магнием очень высока, на самом деле концентрация дырок все еще на два порядка ниже, чем у магния из-за низкой скорости ионизации и высокой возможности самокомпенсации [18, 19]. В GaN Mg _Ga имеет энергию ионизации акцептора 260 мэВ [20], что на порядок больше, чем k _B T (около 26 мэВ) при комнатной температуре, а дефекты и примеси, присутствующие в GaN, могут компенсировать или пассивировать Mg _Ga , поэтому концентрация дырок в GaN, легированном Mg, примерно на два порядка меньше, чем в магнии. Кроме того, остаточные примеси углерода также могут оказывать негативное влияние на проводимость GaN p-типа [16]. Удельное сопротивление образцов p-GaN серии A очевидно возрастало с увеличением концентрации углерода (с 1,39 до ~ 47,7 Ом · см). Следовательно, различия между образцами А1 – А3 можно объяснить различием примесей углерода. Как описано в нашей предыдущей работе [16], примеси углерода могут предпочтительно играть роль центров компенсации донорного типа в пленках GaN, легированных Mg. Доноры могут компенсировать акцепторы магния. Следовательно, удельное сопротивление p-GaN увеличивается с увеличением концентрации остаточных примесей углерода.

Удельное сопротивление образцов изменяется с концентрацией C в группах A и B

С другой стороны, в серии B концентрации магния и кислорода мало меняются в каждой группе, как показано в таблице 1 и на рис. 1. Концентрация углерода в образце B1 намного выше (примерно в 20 раз), чем в образце B2. Однако удельное сопротивление образца B2 довольно близко и ненамного больше, чем у образца B1. Эта тенденция отличается от того, что мы наблюдали для группы A. Следовательно, это предполагает, что эта различная тенденция изменения удельного сопротивления в двух группах может быть объяснена разницей в концентрации примеси водорода. Для образцов А1 – А3 концентрация примеси водорода уменьшается незначительно, в ∼ 1/3 раза, а концентрация примеси углерода увеличивается почти на два порядка. Напротив, для образцов B1 – B2 концентрация примеси водорода увеличивается вместе с примесью углерода. Таким образом, полученный результат позволяет предположить, что включение водорода может ослабить влияние углерода на удельное сопротивление p-GaN, легированного магнием, создавая эффект противодействия.

Для дальнейшего изучения того, как примесь углерода компенсирует акцепторы магния и почему водород может ослабить этот процесс, были проведены измерения фотолюминесценции при комнатной температуре. На рис. 2а, как показывают результаты измерения ФЛ образцов А1 ~ А3, отчетливо виден пик люминесценции около 2,9 эВ. Эта полоса голубой люминесценции (БЛ) изучается уже несколько десятилетий. Известно, что полоса BL в спектрах ФЛ p-GaN около 2.9 эВ имеет ярко выраженный характер люминесценции донорно-акцепторной пары. В качестве кандидата в акцепторы, изолированный Mg-заменитель дефекта Ga (Mg _Ga ) - естественный выбор. И наиболее вероятным кандидатом на роль глубокого донора в очень сильно легированном Mg GaN является комплекс ближайшего соседа, который является ассоциатом Mg _Ga и азотная вакансия (V _N ), образованный самокомпенсацией [21]. Поскольку интегральная интенсивность полосы BL уменьшается с увеличением легирования углеродными примесями (рис. 2б), можно предположить, что примеси углерода могут уменьшать количество соответствующих донорно-акцепторных пар за счет компенсации акцепторов магния, поскольку примеси углерода могут преимущественно играть роль компенсационные центры донорного типа в пленках GaN, легированных магнием [16]. Появление сильного пика 2,2 эВ для образца A3 указывает на то, что в образце A3 имеется большее количество углеродных дефектов [15].

а Результаты нормированной интенсивности ФЛ образцов А1 ~ А3. б Интегральная интенсивность PL (сплошной треугольник) и концентрации C (сплошной квадрат) и H (закрашенный кружок) для образцов A1 ~ A3. c Результаты нормированной интенсивности ФЛ образцов В1 и В2

Между тем, несмотря на значительное увеличение концентраций углерода и водорода от B1 до B2 в группе образцов B, спектры ФЛ этих двух образцов довольно похожи друг на друга. Фактически, нет явной полосы BL в образце B1 и только небольшой пик BL в образце B2 (рис. 2c), возможно, из-за относительно более низкой концентрации магния в образцах серии B (почти 1 × 10 ¹⁹ см ⁻³ ) по сравнению с образцами группы А. Поэтому данные образцов C1 и C2 используются для дальнейшей проверки взаимодействия между водородом и примесями углерода.

Следует отметить, что концентрации Mg и C в образце C1 аналогичны таковым в образце C2, и удельное сопротивление двух образцов также аналогично друг другу. Но интересно отметить, что полоса BL явно меняется в спектрах ФЛ группы образцов C.

Концентрация H в образце C2 в три раза выше, чем в образце C1. На рис. 3а видно, что интенсивность полосы ШС существенно различается для образцов С1 и С2. Интенсивность полосы BL C2 намного больше, что связано с большей концентрацией водорода в этом образце. Кроме того, интегральная интенсивность полосы BL явно увеличивается с увеличением концентрации водорода, даже несмотря на то, что концентрация примеси углерода (которая может уменьшать полосу BL) также немного увеличивается в то же время (рис. 3b). Это означает, что причиной увеличения полосы ШС является увеличение примесей водорода вместо углерода. Это предполагает, что водород и углерод могут иметь противоположный эффект на полосу BL p-GaN. Для примесей водорода мы предполагаем, что наиболее вероятный способ усиления полосы BL - это формирование более подходящих донорно-акцепторных пар путем образования комплексов C – H с примесью углерода и пассивирования примесей углерода в GaN, легированном Mg. Таким образом, предполагается, что водород может образовывать комплексы с углеродом в образце p-GaN, легированного магнием, что приводит к меньшей концентрации центров компенсации донорного типа. Другими словами, водород может пассивировать углерод и улучшать проводимость p-GaN, легированного магнием. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, как контролировать включение водорода, чтобы предпочтительно пассивировать углеродные примеси вместо акцепторов Mg.

а Нормированная интенсивность ФЛ образцов С1 и С2. б Интегральная интенсивность ФЛ и концентрация C и H для образцов C1 и C2

Заключение

Таким образом, было исследовано влияние примесей углерода и водорода на пленки GaN, легированные магнием. Установлено, что примеси углерода могут преимущественно играть роль центров компенсации донорного типа и компенсировать акцептор Mg в пленках GaN, легированных Mg. Увеличение концентрации легирования углерода может увеличить удельное сопротивление p-GaN и ослабить интенсивность полосы синей люминесценции (BL). Однако, когда включение водорода увеличивается с концентрацией легирования углерода, увеличение удельного сопротивления, вызванное примесью углерода, ослабевает и интенсивность полосы BL увеличивается, что предполагает, что водород не только может пассивировать Mg _Ga акцепторы, но также может пассивировать углерод, образуя комплекс C – H с примесью углерода.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

GaN:

Нитрид галлия

InGaN:

Нитрид индия-галлия

InN:

Нитрид индия

LD:

Лазерный диод

Светодиод:

Светоизлучающее устройство

Mg _Ga :

Заменитель магния дефекта Ga

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение

MQW:

Множественная квантовая яма

NH ₃ :

Аммиак

SIMS:

Масс-спектроскопия вторичных ионов

TMGa:

Триметилгаллий

TMIn:

Триметилиндий

V _N :

Вакансия азота