Водород пассивирует углеродные примеси в Mg-легированном GaN, улучшая характеристики p-GaN

Аннотация

Исследовано влияние ненамеренно внедренного водорода на свойства Mg-легированных p-GaN проб, выросших металлоорганическим химическим осаждением из газовой фазы (MOCVD), методами фотоэмиссии при комнатной температуре (PL), Холла и вторично-ионной масс-спектрометрии (SIMS). Обнаружено взаимодействие остаточного водорода и углеродных примесей. Рост концентрации углерода повышает удельное сопротивление p-GaN и ослабляет интенсивность синей люминесценции (BL). Однако при одновременном увеличении водорода вместе с углеродом рост удельного сопротивления, вызванный углеродом, ослабляется, а интенсивность BL-полосы усиливается. Это указывает на то, что ко-внедренный водород не только пассивирует Mg_Ga, но и может пассивировать углеродные примеси в Mg-легированном p-GaN.

Введение

GaN-базированные полупроводники третьего поколения и их сплавы привлекают внимание благодаря широким применениям: светодиоды (СД) и лазерные диоды (ЛД). Хотя GaN-фотонные устройства широко коммерциализированы, относительно низкая концентрация дырок и высокое удельное сопротивление p-GaN всё еще ограничивают их производительность. Много исследований направлено на повышение эффективности p-легирования III-нитридов. Водород и углерод — две основные остаточные примеси в Mg-легированных GaN-эпислоях, выросших MOCVD. Известно, что водород пассивирует Mg в p-GaN. Углеродные примеси формируют дефекты и повышают удельное сопротивление Mg-легированного p-GaN. Много работ посвящено уменьшению H и C, но мало исследований их взаимодействия.

Известно, что избыток остаточного H или C вызывает высокое удельное сопротивление в as-grown Mg-легированных GaN. Из-за H-содержащей среды MOCVD Mg всегда пассивируется водородом, образуя нейтральный Mg-H комплекс. Группа Накамуры показала, что быстрый термический отжиг в N₂ при T > 700 °C успешно диссоциирует Mg-H комплексы и удаляет водород.

В последние годы для длинноволновых MQW-устройств используют высокоиндиевые InGaN/GaN активные слои. Чтобы избежать сегрегации и деградации MQW, требуются низкие температуры роста (<1000 °C) и низкие температуры быстрого отжига. Однако ненамеренная концентрация углерода растет при снижении температуры роста, что приводит к более высокой концентрации дефектов, связанных с углеродом: заместительные дефекты (C_N), интерстициальные (C_i) и комплексы. Эти дефекты могут выступать донорами или глубокими акцепторами, значительно повышая удельное сопротивление p-GaN. Низкотемпературно выросшие Mg-легированные p-GaN часто показывают более высокое удельное сопротивление. Вопреки ожиданиям, мы обнаружили, что p-GaN с высокой концентрацией И водорода, И углерода демонстрируют относительно низкое удельное сопротивление.

В работе три набора Mg-легированных GaN пленок с разными концентрациями H и C изучались SIMS, PL и Холлом. Обнаружено, что водород может пассивировать углеродные примеси в p-GaN, указывая новое направление для выращивания высококачественного p-GaN.

Экспериментальные методы

Неизвестно, как контролировать остаточную концентрацию H настройкой условий MOCVD. Поэтому образцы разделены в группы по результатам SIMS, а не по условиям роста, с похожей Mg концентрацией в каждой группе.

Mg-легированные GaN пленки растили на 2-мкм нелегированном GaN шаблоне в MOCVD системе. Предкурсоры: TMGa (Ga), NH₃ (N), Cp₂Mg (Mg). Температура роста всех p-GaN — 1020 °C. Mg концентрация регулировалась потоком Cp₂Mg. Остаточный углерод настраивался потоком NH₃ — больше NH₃, меньше углерод. Быстрый термический отжиг в N₂ при 800 °C, 3 мин для депассивации Mg-H комплексов.

Измерения Холла для удельного сопротивления. Омический контакт на p-GaN — расплавленный индий. SIMS для концентраций Mg, H, C, O. Отобрано 7 образцов с подходящей Mg концентрацией, разделены в 3 группы (A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2) с похожей Mg концентрацией в группе.

PL при комнатной температуре лазером He-Cd (325 нм, 0,4 Вт/см²). Интенсивность нормирована на полосу границы зоны (~3,44 эВ).

Результаты и обсуждение

Результаты Холла и SIMS в табл. 1. По SIMS (Mg, C, H) образцы разделены в группы A, B, C. В каждой группе Mg концентрация похожа, так как Mg — основной акцептор, проводимость p-GaN в основном от Mg. Чтобы изучить влияние H и C на удельное сопротивление, Mg концентрацию фиксировали в группе. Mg концентрация очень высокая (10¹⁹–3×10¹⁹ см⁻³), различий в группе нет. O концентрация низкая (10¹⁶ см⁻³), исключена.

В группе A рост углерода вызывает огромный рост удельного сопротивления p-GaN. В группе B увеличение водорода вместе с углеродом ослабляет этот тренд. Группа C для изучения влияния на BL-полосу.

Табл. 1 и рис. 1: для A1–A3 концентрация C растет на два порядка (1,17×10¹⁷ → 1,12×10¹⁹ см⁻³), Mg, H, O меняются мало. Из прошлых работ: хоть Mg высокая, дырочная концентрация на два порядка ниже из-за низкой ионизации и самоскомпенсации. Mg_Ga имеет энергию ионизации 260 мэВ (порядок выше k_BT ~26 мэВ), дефекты и примеси компенсируют/пассивируют Mg_Ga. Остаточный углерод также негативно влияет на p-проводимость. Удельное сопротивление в серии A очевидно растет с C (1,39 → ~47,7 Ом·см). Различия A1–A3 обусловлены углеродом. По нашему пред. исследованию [16] углерод может выступать донорскими центрами компенсации в Mg-GaN. Доноры компенсируют Mg-акцепторы, поэтому удельное сопротивление растет с C.

Рис. 1. Удельное сопротивление образцов в группах A и B в зависимости от C концентрации.

В серии B Mg и O меняются мало. C в B1 в ~20 раз выше, чем в B2. Но удельное сопротивление B2 близко к B1, не намного больше. Тренд отличается от группы A. Различие может быть атрибутировано разнице в H концентрации. В A1–A3 H падает в ~3 раза, C растет на 2 порядка. В B1–B2 H растет вместе с C. Результат указывает: внедрение водорода может ослаблять влияние углерода на удельное сопротивление Mg-p-GaN, создавая контрдействие.

Для выяснения, как C компенсирует Mg и почему H ослабляет это, провели PL при комнатной температуре. Рис. 2a: PL A1–A3, пик ~2,9 эВ — синяя люминесценция (BL). BL в p-GaN PL ~2,9 эВ имеет характер донор-акцепторной пары. Акцептор — изолированный Mg_Ga. Глубокий донор в сильно Mg-легированном GaN — ближайший соседний комплекс Mg_Ga и азотной вакансии (V_N), образованный самоскомпенсацией. Интегральная интенсивность BL падает с ростом C (рис. 2b) — углерод может уменьшать число донор-акцепторных пар, компенсируя Mg-акцепторы (углерод — донорские центры компенсации). Сильный пик 2,2 эВ для A3 указывает на большее число углерод-связанных дефектов.

Рис. 2. a Нормированная PL интенсивность A1–A3. b Интегральная PL (сплошные треугольники), C (сплошные квадраты), H (сплошные круги) для A1–A3. c Нормированная PL B1 и B2.

Несмотря на большой рост C и H от B1 к B2, PL спектры похожи. Явной BL полосы в B1 нет, только маленький пик в B2 (рис. 2c), возможно, из-за ниже Mg концентрации в серии B (~1×10¹⁹ см⁻³) vs A. Поэтому используют C1, C2 для дальнейшего изучения H-C взаимодействия.

Mg и C в C1 и C2 похожи, удельное сопротивление тоже. Но BL-полоса меняется очевидно. H в C2 в 3 раза выше, чем в C1. Рис. 3a: интенсивность BL сильно различается. BL в C2 намного больше — из-за большего H. Интегральная интенсивность BL растет с ростом H, даже при небольшом росте C (рис. 3b). Причина роста BL — увеличение H, а не C. H и C оказывают противоположное влияние на BL. Для H предполагаем: наиболее вероятный способ усилить BL — формировать больше донор-акцепторных пар, образуя C-H комплексы с углеродом и пассивируя углеродные примеси. Спекулируем: H образует комплексы с C в Mg-p-GaN, уменьшая концентрацию донорских центров компенсации. То есть H может пассивировать C и улучшать проводимость Mg-p-GaN. Нужны дальнейшие исследования для контроля H-внедрения, чтобы преференциально пассивировать C вместо Mg.

Рис. 3. a Нормированная PL C1 и C2. b Интегральная PL интенсивность и C, H концентрации для C1, C2.

Заключение

Исследованы эффекты углеродных и водородных примесей в Mg-легированных GaN пленках. Углерод может предпочтительно выступать донорскими центрами компенсации и компенсировать Mg-акцепторы. Рост C концентрации повышает удельное сопротивление p-GaN и ослабляет BL-полосу. Однако при одновременном росте H вместе с C рост удельного сопротивления, вызванный C, ослабляется, а BL-интенсивность усиливается. Это указывает, что водород не только пассивирует Mg_Ga акцепторы, но и может пассивировать углерод, образуя C-H комплексы с углеродными примесями.

Доступность данных и материалов

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

Аббревиатуры

GaN:

Нитрид галлия

InGaN:

Нитрид индия-галлия

InN:

Нитрид индия

LD:

Лазерный диод

LED:

Светодиод

Mg_Ga:

Mg замещения Ga дефект

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы

MQW:

Множественная квантовая яма

NH₃:

Аммиак

SIMS:

Вторично-ионная масс-спектрометрия

TMGa:

Триметилгаллий

TMIn:

Триметилиндий

V_N:

Азотная вакансия