수소, Mg 도핑 GaN 내 탄소 불순물 패시베이션으로 p-GaN 성능 향상

요약

금속유기 화학 기상 증착(MOCVD)으로 성장한 Mg 도핑 p-GaN 시료에서 의도치 않게 도핑된 수소가 특성에 미치는 영향을 실온 광발광(PL), 홀, 이차 이온 질량 분석(SIMS) 측정으로 조사했습니다. 잔여 수소와 탄소 불순물 간 상호작용이 있음을 발견했습니다. 탄소 도핑 농도 증가는 p-GaN 저항률 증가와 청색 발광(BL) 밴드 강도 약화 유발. 그러나 탄소 도핑 농도 증가와 함께 수소 혼입이 증가하면 탄소 불순물에 의한 저항률 증가가 약화되고 BL 밴드 강도가 향상됩니다. 이는 공도핑된 수소가 Mg_Ga뿐만 아니라 Mg 도핑 p-GaN 내 탄소 불순물도 패시베이션할 수 있음을 시사합니다.

서론

GaN 기반 3세대 반도체 소재와 합금은 발광 다이오드(LED) [2-4], 레이저 다이오드(LD) [5-7] 등 폭넓은 응용으로 큰 주목 [1]. GaN 기반 광소자 상용화되었으나 p형 GaN의 상대적으로 낮은 정공 농도와 높은 저항률이 소자 성능 크게 제한 [8, 9]. III-질화물 p형 도핑 효율 향상 연구 다수 [10, 11]. 수소와 탄소는 MOCVD 성장 Mg 도핑 GaN 에피층에 존재하는 두 주요 잔여 불순물. 수소 불순물이 p-GaN 내 Mg 패시베이션함은 잘 알려짐 [12]. 반면 탄소 불순물은 다양한 결함 형성해 Mg 도핑 p-GaN 저항률 증가. 수소와 탄소 불순물 감소 연구 다수이나, 두 불순물 간 상호작용 연구는 드뭅니다.

과도한 수소 또는 탄소 잔여 불순물은 성장 직후 Mg 도핑 GaN 박막에서 높은 저항률 유발. H 함유 MOCVD 성장 환경에서 Mg은 항상 수소 불순물에 패시베이션되며, 성장 중 중성 Mg-H 결합 복합체 형성 [13]. 다행히 Nakamura 그룹 [12]이 700°C 이상 N₂ 분위기 급속 열 어닐링으로 Mg-H 복합체 해리 및 수소 원자 효과적 제거 최초 입증.

최근 장파장 다중 양자 우물(MQW) 소자 연구 개발로 고인듐 함량 InGaN/GaN 층이 활성층으로 널리 사용. MQW 편석 및 구조 열화 방지 위해 상대적으로 낮은 성장 온도(<1000°C)와 낮은 급속 열 어닐링 온도 필요. 그러나 성장 온도 감소 시 의도치 않은 탄소 불순물 농도 증가 → GaN 내 탄소 불순물 관련 결함 농도 증가(치환 결함 C_N, 격자간 결함 C_i, 복합체 등) [14, 15]. 이들 결함은 도너 또는 깊은 어셉터로 작용해 p-GaN 저항률 크게 증가 [16]. 결과적으로 저온(LT) 성장 Mg 도핑 p형 GaN 박막은 고온 성장보다 높은 저항률 보임. 예상과 달리 본 연구진은 수소와 탄소 불순물 농도 모두 높은 p-GaN 박막이 상대적으로 낮은 저항률 보임 발견.

본 연구에서는 서로 다른 수소, 탄소 잔여 불순물 농도를 가진 3세트 Mg 도핑 GaN 박막을 SIMS, PL, 홀 측정으로 조사. 수소가 p-GaN 내 탄소 불순물 패시베이션함 발견, 고품질 p형 GaN 박막 성장 새 방향 제시.

실험 방법

MOCVD 성장 조건으로 잔여 수소 농도 제어 방법 아직 미지. 따라서 성장 조건 아닌 SIMS 결과 기반으로 시료 분류, 각 그룹 내 Mg 농도 유사.

본 연구에서 2μm 두께 비의도적 도핑 GaN 층 템플릿 위 MOCVD 시스템으로 다수 Mg 도핑 GaN 박막 성장. 트리메틸갈륨(TMGa), 암모니아(NH₃), 비스-사이클로펜타디에닐마그네슘(Cp₂Mg)을 Ga, N, Mg 전구체로 사용. 모든 p-GaN 시료 성장 온도 1020°C로 상대적 저온. Mg 도핑 농도 주로 Cp₂Mg 유량으로 조절. 잔여 탄소 불순물 농도 주로 MOCVD 중 NH₃ 유량으로 조절 - NH₃ 많을수록 탄소 불순물 적음 [17]. 급속 열 어닐링은 800°C 질소 분위기에서 3분 수행해 Mg-H 복합체 탈패시베이션.

홀 테스트로 p-GaN 시료 저항률 측정. p형 GaN 옴접촉 위해 녹인 인듐 금속을 시료 표면에 포인트 전극으로 사용. Mg, H, C, O 불순물 농도 확인 위해 이차 이온 질량 분석(SIMS) 측정. 7개 시료 선정(적절한 Mg 농도), 3그룹으로 분류(A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2) - 각 그룹 내 Mg 농도 유사.

실온 광발광(PL) 측정: 325nm He-Cd 레이저, 여기 밀도 ~0.4 W/cm². 발광 강도는 근밴드 에지 발광 강도(~3.44 eV)로 정규화¹.

결과 및 논의

홀 테스트와 SIMS 측정 결과 표 1. Mg, C, H 농도 SIMS 결과 기반 7개 시료를 A, B, C 3그룹으로 분류. 각 그룹 내 Mg 농도 유사해야 함: Mg가 p-GaN 주요 어셉터, 전도도 대부분 Mg 기인. H와 C 불순물 영향 조사 위해 그룹 내 Mg 농도 불변 유지. 이들 불순물 도핑 농도 공동 영향, 주로 p형 전기 저항률 분석. 시료 내 Mg 도핑 농도 매우 높음(10¹⁹~3×10¹⁹ cm⁻³), 그룹 내 큰 차이 없음. 산소 농도 충분히 낮음(10¹⁶ cm⁻³) → 추가 고려 제외.

그룹 A에서 탄소 불순물 증가가 p-GaN 저항률 급증 유발, 그룹 B에서 탄소 불순물과 함께 수소 증가가 이 경향 약화. 그룹 C는 BL 밴드 영향 추가 조사용.

표 1, 그림 1에서 A1~A3 시료: 탄소 불순물 농도 1.17×10¹⁷에서 1.12×10¹⁹ cm⁻³으로 2자릿수 급증, Mg, H, O 농도 거의 불변. 선행 연구에서 Mg 도핑 농도 매우 높으나 실제 정공 농도는 낮은 이온화율과 높은 자기보상 가능성으로 Mg보다 2자릿수 낮음 [18, 19]. GaN에서 Mg_Ga 어셉터 이온화 에너지 260 meV [20], 실온 k_BT(~26 meV)보다 1자릿수 크고, GaN 내 결함/불순물이 Mg_Ga 보상/패시베이션 → 정공 농도 Mg보다 ~2자릿수 낮음. 또한 잔여 탄소 불순물도 p형 GaN 전도도에 부정적 영향 [16]. A 시리즈 p-GaN 시료 저항률이 탄소 농도 증가에 따라 뚜렷 증가(1.39→~47.7 Ω·cm). A1~A3 차이는 탄소 불순물 차이 기인. 선행 연구 [16]에서 탄소 불순물이 Mg 도핑 GaN 박막에서 도너형 보상 중심 역할 선호. 도너가 Mg 어셉터 보상 → 탄소 불순물 농도 상승에 따라 p-GaN 저항률 증가.

반면 B 시리즈에서 표 1, 그림 1처럼 Mg, O 농도 그룹 내 거의 불변. B1 탄소 농도 B2보다 ~20배 높음. 그러나 B2 저항률 B1과 꽤 가깝고 크게 높지 않음. 이 경향은 그룹 A 관찰과 다름. 두 그룹 저항률 변화 경향 차이가 수소 불순물 농도 차이 기인 가능성 시사. A1~A3에서 수소 불순물 농도 ~1/3 인자로 약간 감소, 탄소 불순물 ~2자릿수 증가. 반면 B1~B2에서 수소 불순물 농도 탄소 불순물과 함께 증가. 따라서 수소 혼입이 Mg 도핑 p-GaN에서 탄소의 저항률 영향 약화, 상쇄 효과 생성 시사.

탄소 불순물이 Mg 어셉터 보상하는 방식과 수소가 이 과정 약화하는 이유 추가 조사 위해 실온 PL 측정 수행. 그림 2a는 A1~A3 시료 PL 측정 결과: ~2.9 eV 발광 피크 명확. 이 청색 발광(BL) 밴드는 수십 년 연구됨. p-GaN PL 스펙트럼 ~2.9 eV BL 밴드는 뚜렷한 도너-어셉터 쌍 발광 특성. 어셉터 후보로 고립된 Mg_Ga 결함이 자연적 선택. 매우 고농도 Mg 도핑 GaN에서 깊은 도너 최적 후보는 자기보상으로 형성된 Mg_Ga와 질소 공공(V_N) 최근접 이웃 복합체 [21]. 탄소 불순물 도핑 증가에 따라 BL 밴드 적분 강도 감소(그림 2b) → 탄소 불순물이 Mg 어셉터 보상해 관련 도너-어셉터 쌍 수 감소 가정. 탄소 불순물이 Mg 도핑 GaN 박막에서 도너형 보상 중심 역할 선호 [16]. A3 시료에서 강한 2.2eV 피크 출현 → A3에 탄소 관련 결함 다수 존재 [15].

반면 B 그룹에서 B1→B2 탄소, 수소 농도 크게 증가에도 두 시료 PL 스펙트럼 서로 꽤 유사. 실제 B1에서 뚜렷한 BL 밴드 없음, B2만 작은 BL 피크(그림 2c) - B 시리즈 시료 Mg 농도(~1×10¹⁹ cm⁻³)가 A 그룹보다 상대적으로 낮기 때문일 수 있음. 따라서 C1, C2 시료 데이터로 수소-탄소 불순물 간 상호작용 추가 조사.

C1, C2 시료 Mg, C 농도 유사, 저항률도 유사. 흥미롭게 PL 스펙트럼 BL 밴드 뚜렷 변화. C2 H 농도 C1보다 3배 높음. 그림 3a: C1, C2 BL 밴드 강도 꽤 다름. C2 BL 밴드 강도 훨씬 큼 → 이 시료 더 높은 수소 농도 기인. 또한 BL 밴드 적분 강도가 수소 농도 증가에 따라 명확히 증가, 탄소 불순물(BL 밴드 감소 유발) 농도도 동시에 약간 증가함에도(그림 3b). BL 밴드 증가 원인은 탄소 아닌 수소 불순물 증가임을 시사. 수소와 탄소가 p-GaN BL 밴드에 반대 효과 가짐 시사. 수소 불순물로 BL 밴드 향상시키는 가장 개연적 방식: 탄소 불순물과 C-H 복합체 형성해 탄소 패시베이션 → 관련 도너-어셉터 쌍 더 형성. 즉 수소가 Mg 도핑 p-GaN 시료 내 탄소와 복합체 형성해 도너형 보상 중심 농도 감소 유도. 달리 말해 수소가 탄소 패시베이션해 Mg 도핑 p-GaN 전도도 향상. 수소 혼입 제어해 Mg 어셉터 대신 탄소 불순물 우선 패시베이션하는 방법 추가 연구 필요.

결론

요약: Mg 도핑 GaN 박막에서 탄소, 수소 불순물 효과 조사. 탄소 불순물이 도너형 보상 중심 역할 선호해 Mg 도핑 GaN 박막 내 Mg 어셉터 보상함 발견. 탄소 도핑 농도 증가는 p-GaN 저항률 증가, BL 밴드 강도 약화. 그러나 수소 혼입이 탄소 도핑 농도 증가와 함께 증가하면 탄소 불순물에 의한 저항률 증가 약화, BL 밴드 강도 향상 → 수소가 Mg_Ga 어셉터 패시베이션뿐만 아니라 탄소 불순물과 C-H 복합체 형성해 탄소 패시베이션 가능성 시사.