수소는 Mg 도핑된 GaN에서 탄소 불순물을 부동태화할 수 있습니다.

결과 및 토론

홀 테스트 및 SIMS 측정 결과는 표 1에 나와 있습니다. Mg, C 및 H 농도 측정의 SIMS 결과를 기반으로 7개의 샘플을 A, B, C의 세 그룹으로 나눕니다. 각 그룹의 샘플은 다음을 수행해야 합니다. Mg는 p-GaN의 주요 수용체이고 p-GaN의 전도도는 대부분 Mg에 의해 발생하기 때문에 Mg 농도와 유사합니다. 따라서 저항률에 대한 H 및 C 불순물의 영향을 조사하려면 각 그룹에서 Mg 농도 불변성을 유지해야 합니다. 이러한 불순물의 도핑 농도가 샘플 특성, 주로 p형 전기 저항에 미치는 공동 영향을 분석합니다. 이 샘플에서 마그네슘의 도핑 농도는 매우 높습니다(10 ¹⁹ ~3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) 각 그룹의 표본에 대해 유의미한 차이가 없었다. 산소 농도가 충분히 낮습니다(10 ¹⁶ cm ⁻³ ) 추가 고려에서 제외될 수 있습니다.

그룹 A에서 탄소 불순물의 증가는 p-GaN의 엄청난 저항 증가를 유발하는 반면 그룹 B에서는 탄소 불순물과 함께 수소의 증가가 이러한 경향을 약화시키는 것으로 나타났습니다. 그리고 그룹 C는 BL 밴드에 대한 영향을 더 조사하기 위해 사용됩니다.

표 1과 그림 1에서 샘플 A1–A3의 경우 탄소 불순물 농도가 급격히 증가하여 1.17 × 10 ¹⁷ ~ 1.12 × 10 ¹⁹ cm ^{− 3} 그러나 마그네슘, 수소 및 산소의 농도는 거의 변하지 않습니다. 이전 연구에서 우리는 마그네슘의 도핑 농도가 매우 높지만 실제로 정공 농도는 낮은 이온화 속도와 높은 자체 보상 가능성으로 인해 여전히 마그네슘보다 100배 낮다는 것을 깨달았습니다[18, 19]. GaN에서 Mg_Ga 260 meV의 억셉터 이온화 에너지를 가짐[20], k_B보다 10배 이상 실온에서 T(약 26 meV), GaN에 존재하는 결함 및 불순물은 Mg_Ga를 보상하거나 부동태화할 수 있습니다. 따라서 Mg 도핑된 GaN의 정공 농도는 마그네슘보다 약 100배 더 낮습니다. 또한 잔류 탄소 불순물은 p형 GaN 전도도에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다[16]. 직렬 A의 p-GaN 샘플의 저항은 탄소 농도가 증가함에 따라 분명히 증가했습니다(1.39 에서 ~ .7 Ω cm). 따라서 샘플 A1-A3의 차이는 탄소 불순물의 차이에 기인할 수 있습니다. 이전 연구[16]에서 설명한 바와 같이 탄소 불순물은 Mg 도핑된 GaN 필름에서 도너형 보상 센터의 역할을 우선적으로 수행할 수 있습니다. 기증자는 마그네슘 수용체를 보상할 수 있습니다. 따라서 p-GaN의 저항은 잔류 탄소 불순물 농도가 증가함에 따라 증가합니다.

샘플의 저항은 그룹 A와 B의 C 농도에 따라 변합니다.

반면에 시리즈 B에서는 표 1과 그림 1과 같이 각 군에서 마그네슘과 산소의 농도 변화가 거의 없었다. 시료 B1의 탄소 농도는 시료 B2보다 훨씬 높다(약 20배). 그러나 샘플 B2의 저항은 샘플 B1의 저항에 매우 가깝고 그다지 크지 않습니다. 이 경향은 우리가 그룹 A에 대해 관찰한 것과 다릅니다. 따라서 두 그룹에서 이러한 다른 저항 변화 경향은 수소 불순물 농도의 차이에 기인할 수 있음을 시사합니다. 샘플 A1–A3의 경우 수소 불순물 농도는 ~ 1/3의 비율로 거의 감소하지 않는 반면 탄소 불순물 농도는 거의 2배 증가합니다. 이에 반해 시료 B1~B2의 경우 탄소불순물과 함께 수소불순물의 농도가 증가한다. 따라서 얻어진 결과는 수소 혼입이 Mg 도핑된 p-GaN의 저항률에 대한 탄소의 영향을 약화시켜 대응 효과를 생성할 수 있음을 시사합니다.

탄소 불순물이 마그네슘 수용체를 보상하는 방법과 수소가 이 과정을 약화시킬 수 있는 이유를 추가로 조사하기 위해 실온 광발광 측정을 수행했습니다. 도 2a에서 샘플 A1~A3의 PL 측정 결과에서 알 수 있듯이 약 2.9 eV에서 발광 피크를 분명히 볼 수 있다. 이 청색 발광(BL) 밴드는 이미 수십 년 동안 연구되었습니다. 약 2.9 eV의 p-GaN PL 스펙트럼에서 BL 대역은 뚜렷한 도너-억셉터 쌍 발광 특성을 갖는 것으로 알려져 있습니다. 억셉터 후보의 경우, Ga 결함(Mg_Ga )는 자연스러운 선택입니다. 그리고 매우 많이 Mg가 도핑된 GaN에서 딥 도너에 대한 가장 가능한 후보는 Mg_Ga의 연관인 가장 가까운 이웃 복합체입니다. 및 질소 공석(V_N ), 자기 보상에 의해 형성[21]. BL 밴드의 적분 강도는 탄소 불순물의 도핑이 높을수록 감소하므로(그림 2b), 탄소 불순물이 Mg 도핑된 GaN 필름의 도너형 보상 센터[16]. 샘플 A3에 대한 강한 2.2eV 피크의 출현은 샘플 A3에 더 많은 수의 탄소 관련 결함이 있음을 나타냅니다[15].

아 샘플 A1~A3의 정규화된 PL 강도의 결과. ㄴ 샘플 A1~A3에 대한 적분 PL(실선 삼각형) 강도 및 C(실선 정사각형) 및 H(실선 원) 농도. ㄷ 샘플 B1 및 B2의 정규화된 PL 강도 결과

한편, 샘플 그룹 B에서 B1에서 B2로 탄소 및 수소 농도가 크게 증가함에도 불구하고 이 두 샘플의 PL 스펙트럼은 서로 상당히 유사합니다. 실제로 샘플 B1에는 명백한 BL 밴드가 없고 샘플 B2에는 작은 BL 피크만 있습니다(그림 2c). 아마도 시리즈 B 샘플(거의 1 × 10 ^{19 cm −3 ) 그룹 A 샘플과 비교. 따라서 샘플 C1 및 C2의 데이터를 사용하여 수소와 탄소 불순물 간의 상호 작용을 추가로 확인합니다.}

샘플 C1의 Mg 및 C 농도는 샘플 C2의 농도와 유사하고 두 샘플의 저항률도 서로 유사하다는 점에 유의하십시오. 그러나 BL 밴드가 샘플 그룹 C의 PL 스펙트럼에서 분명히 변한다는 점에 주목하는 것이 흥미로웠습니다.

샘플 C2의 H 농도는 샘플 C1의 H 농도보다 3배 더 높습니다. 그림 3a는 BL 밴드 강도가 샘플 C1과 C2에 대해 상당히 다르다는 것을 보여줍니다. C2의 BL 밴드의 강도는 훨씬 더 크며, 이는 이 샘플의 더 큰 수소 농도에 기인합니다. 또한 탄소 불순물(BL 밴드를 감소시킬 수 있음) 농도도 동시에 약간 증가하지만 BL 밴드의 적분 강도는 수소 농도의 증가와 함께 명확하게 증가합니다(그림 3b). BL band가 증가하는 이유는 탄소 대신 수소 불순물이 증가하기 때문임을 시사한다. 수소와 탄소가 p-GaN의 BL 밴드에 반대 효과를 가질 수 있음을 시사한다. 수소 불순물의 경우 BL 밴드를 향상시키는 가장 가능성 있는 방법은 탄소 불순물과 C-H 착물을 형성하고 Mg 도핑된 GaN에서 탄소 불순물을 부동태화하여 보다 적절한 도너-억셉터 쌍을 형성하는 것이라고 가정합니다. 따라서 수소는 Mg 도핑된 p-GaN 샘플에서 탄소와 착물을 형성하여 도너형 보상 센터의 농도를 더 낮출 수 있다고 추측됩니다. 즉, 수소는 탄소를 부동태화하고 Mg 도핑된 p-GaN의 전도도를 향상시킬 수 있습니다. Mg 수용체 대신 탄소 불순물을 우선적으로 부동태화하기 위해 수소 결합을 제어하는 ​​방법을 알아내려면 추가 조사가 필요합니다.

아 샘플 C1 및 C2의 정규화된 PL 강도. ㄴ 샘플 C1 및 C2에 대한 적분 PL 강도 및 C 및 H 농도