Eksperimentiniai įrodymai, skirti sumažinant mg ​​aktyvacijos energiją dideliame alganų lydinyje, naudojant mgga δ (aln) m / (gan) n superlėkštėje | mokslinės ataskaitos

Eksperimentiniai įrodymai, skirti sumažinant mg ​​aktyvacijos energiją dideliame alganų lydinyje, naudojant mgga δ (aln) m / (gan) n superlėkštėje | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Projektavimas, sintezė ir apdorojimas
  • Konstrukcijos savybės

Anotacija

P tipo dopingas dideliame AlGaN lydinyje yra pagrindinis iššūkis realizuojant AlGaN pagrįstus giliųjų ultravioletinių spindulių optoelektronikos prietaisus. Remiantis pirmojo principo skaičiavimais, Mg aktyvacijos energija gali būti sumažinta taip, kad būtų galima gauti didelę skylių koncentraciją įvedant nanoskalės (AlN) 5 / (GaN) 1 superlaidumą (SL) į Al 0, 83 Ga 0, 17 N lydinį Al. Šiame darbe buvo gauta eksperimentinių įrodymų, analizuojant Mg legiruotų AlGaN lydinių ir Mg legiruotų AlGaN SL, taip pat Mg Ga δ pavidalo AlGaN SL lydinius. Mg akceptoriaus aktyvacijos energija buvo žymiai sumažinta nuo 0, 378 iki 0, 331 eV, naudojant Mg Ga δ dopingą SL, o ne tradicinį dopingą lydiniuose. Šis naujas procesas patvirtino, kad gali realizuoti aukšto p tipo dopingą dideliame AlGaN turinčiame Al.

Įvadas

Didelio Al kiekio AlGaN lydiniai yra ideali medžiaga giliesiems ultravioletiniams (DUV) 1 optoelektroniniams įtaisams dėl jų tiesioginių juostų tarpų, kurių darbiniai bangos ilgiai yra nuo 364 nm iki 200 nm, 2, 3, 4, 5 . Vis dėlto AlGaN pagrindu pagamintų DUV šviesos diodų (LED) išorinis kvantinis efektyvumas (EQE) yra ypač mažas - 0, 1%, o tai vis dar yra didžiulė kliūtis 6, 7 . N tipo AlGaN galima gaminti palyginti nesudėtingai 8, 9 . Labai žemas „AlGaN“ p-tipo dopingo efektyvumas trukdo toliau tobulinti „AlGaN“ pagrįstus DUV šviesos diodus. P tipo dopingo sunkumas yra susijęs su didele akceptoriaus aktyvacijos energija (E A ), kompensacija azoto laisvomis vietomis, padidėjusia skylių sklaida ir ribotu akceptoriaus tirpumu 10, 11 . Plačiausiai naudojamam pg tipo Mg dopantui jo E A Al x Ga 1 − N N didėja monotoniškai didėjant Al kiekiui nuo 0, 17 eV GaN iki 0, 51 eV AlN 11, 12 . Šis elgesys rodo, kad kambario temperatūroje 11 AlN gali būti suaktyvinta tik labai maža dalis (~ 10–9 ) Mg priedų. Todėl mažinti Mg akceptoriaus aktyvacijos energiją yra vienas didžiausių iššūkių AlGaN pagrindu veikiantiems DUV optoelektronikos prietaisams.

Didelės pastangos buvo skirtos pagerinti III tipo nitridų p tipo laidumą 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 . Skirtingai nuo slopinančio krūvio atskyrimo efektą „InGaN“ pagrindu sukurtuose prietaisuose, poliarizacijos dopingas buvo naudojamas siekiant padidinti skylių koncentraciją AlGaN lydiniuose, jonizuojant Mg akceptorių poliarizacijos lauke 13, 14 . Taip pat buvo sukurtas alternatyvus akceptoriaus-donoro dopingas ir nebalansinis augimas kartu su Mg impulsų dopingu ir Mg δ-dopingu, siekiant sumažinti akceptoriaus aktyvacijos energiją ir taip padidinti skylių koncentraciją bei padidinti AlGaN lydinių p tipo laidumą 15., 16, 17, 18, 19, 20 . Iki šiol dauguma eksperimentų buvo sutelkti į GaN ir mažai Al turinčio AlGaN lydinių p tipo laidumą, tačiau p-dopingo didelio AlGaN turinčio Al tipo dopingo vartojimas vis dar išlieka 20, 21, 22 .

Daugybė darbų buvo sutelkti į dopingo užpylimą 23–24, 25, 26, 27, 28, 29, kur periodinis valentinės juostos krašto svyravimas buvo sukurtas dėl valentinės juostos nepertraukiamumo ir įgimtų poliarizacijos laukų Mg- skiedžiami „AlGaN / GaN SL“, dėl to skylės kaupiasi šalia makšties juostos krašto, esančios šalia „Fermi“ energijos, ir sudaro vadinamąsias dvimates (2D) skylių dujas. Ankstesniame darbe mes naudojome Si Ga δ dopingą Al 0, 6 Ga 0, 4 N lydiniuose, kad padidintume n tipo nešiklio tankį 30 . Naujausi teoriniai darbai numatė, kad nanoskalės (AlN) m / (GaN) n (m> n) SL gali paversti valentinės juostos maksimumą (VBM) iš kristalinio lauko atskirtos skylės į sunkiųjų skylių juostą, o tai padidins skersinės elektrinės (TE) poliarizuotos šviesos sklidimo efektyvumo analizė 31, n) aukšto AlGaN lydinio lydinio superlaidumo pakaitalas: ypač plonas GaN sluoksnio moduliavimas. Naujasis J. Phys. 16, 113065 (2014). "Href = / straipsniai / srep44223 # ref32 aria-label =" 32 nuoroda "data-track = click data-track-label = link> 32. Artimiausio ir artimiausio artimiausio įtaka (NN ) atomai ant Mg elektroninių struktūrų nanoskalėje (AlN) 5 / (GaN) 1 SL pakaitalo Al 0, 83 Ga 0, 17 N sutrikimo lydinys buvo teoriškai ištirtas Zhong ir kt.1 . Rezultatai parodė, kad E A mažėja, jei NN Ga atomas skaičius padidėjo ir sumažėjo į Mg nukreipto tetraedro tūris. Tokiu būdu Mg akceptoriaus aktyvacijos energiją galima žymiai sumažinti iki 0, 26 eV, labai artimą GaN, (AlN) 5 / (GaN) 1 SL, Mg Ga δ. -dopingas 1. Neseniai pagerintas p tipo laidumas buvo pasiektas daugialypiuose Al 0, 63 Ga 0, 37 N / Al 0, 51 Ga 0, 49 N SL 33. Šiame darbe mes naudojame Mg Ga δ dopingą (AlN) m / (GaN) n SL. ištirti Mg akceptoriaus aktyvacijos energiją, siekiant rasti tinkamą būdą, kaip sumažinti ją dideliame AlGaN turinčiame Al kiekyje.

Metodai

Šiame darbe tradiciniai Mg legiruoti AlGaN lydiniai (kuriuose Al, Ga, Mg ir N atomai pateko į substratą tuo pačiu metu), Mg sudėti AlGaN SL ir Mg Ga δ pavidalo AlGaN SL buvo auginami c plokštumos safyro substratuose. naudojant radijo dažnio molekulinės pluošto pluošto epitaksijos sistemą (rf-MBE, SVTA 35-V-2). Augimo detalės parodytos 1 lentelėje. D1 ir D2 pavyzdžiai buvo Mg legiruoti AlGaN lydiniai tradiciniu dopingo metodu. Mg dopingas buvo atliekamas 30 minučių. D3 ir D4 mėginiai buvo Mg legiruoti AlGaN SL. Mg dopingas buvo atliekamas nuolat 10 s per kiekvieną ciklą, o bendras nusodinimas truko 180 ciklų. Taigi tikrasis Mg dopingo laikas taip pat buvo 30 min. D5 ir D6 mėginiai buvo Mg Ga δ disperguoti AlGaN SL, kurių ciklo periodas buvo 15 s 180 ciklų. Nors D5 ir D6 mėginių ciklo laikotarpis buvo 15 s, efektyvusis ciklo augimo laikas vis tiek buvo laikomas 10 s, o bendras efektyvusis augimo laikas taip pat buvo 30 min. D5 pavyzdžio augimo procesą sudarė dvi kilpos, kaip parodyta 1 pav. AlGaN plonų plėvelių augimo metu azoto srauto greitis buvo nustatytas 2, 65 sccm esant 375 W rf-plazmos galiai. Prieš auginimą, nitrinimas buvo atliekamas 10 minučių 810 ° C temperatūroje, esant 500 W rf-plazmos galiai, azoto srautas buvo 2, 65 sccm. AlGaN plėvelės buvo tiriamos didelės skiriamosios gebos rentgeno spindulių difrakcija (HRXRD, Bede D1) ir didelės skiriamosios gebos perdavimo elektronų mikroskopu (HRTEM, JEOL JEM 2010 FEF UHR). Ni / Au elektrodai (15 nm Ni ir 50 nm Au) buvo gaminami garinant termiškai 150 x 150 μm 2 šablonais. Srovės ir įtampos (IV) charakteristikos buvo išmatuotos naudojant puslaidininkinių įtaisų analizatorių (Keithley 4200, Keithley Instruments).

Pilno dydžio lentelė

Image

Tvirtos ir tuščios linijos atitinkamai rodo, kad šaltinio langinės yra atidarytos ir uždarytos.

Visas dydis

Rezultatai

2 paveiksle parodyti AlGaN plėvelių, išaugintų ant safyro substrato, XRD modeliai. AlGaN (0002) smailės buvo rastos tarp GaN (0002) smailės ties 34, 543 ° ir AlN (0002) smailės, esant 36, 033 °. Al 2 O 3 (0006) smailės buvo normalizuotos esant 41 700 °. Visas Mg legiruotų AlGaN (0002) smailių plotis per pusę maksimalaus (FWHM) buvo maždaug 800 arklų lydiniuose ir 1000 lankų - SL. „AlGaN“ smailės buvo aprūpintos „Gauss“ modeliu, kad būtų galima gauti tikslesnę informaciją apie smailę. Pagal lydinio kristalo parametrų formulę

Image

ir Braggo dėsnis 2d hkl sinθ = nλ, taip pat šešiakampė tarpplaninė atstumo formulė

Image
, AlxGa1 – xN plonų plėvelių kompozicijos buvo nustatytos naudojant standartinį kristalų parametrą c GaN 0, 5189 nm ir c AIN 0, 4981 nm. Tokiu būdu visų mėginių nuo D1 iki D6 kompozicijos buvo Al 0, 97 Ga 0, 03 N, Al 0, 75 Ga 0, 25 N, Al 0, 79 Ga 0, 21 N, Al 0, 53 Ga 0, 47 N, Al 0, 76 Ga 0, 24 N ir Al 0, 47 Ga 0, 53 N, atitinkamai. (AlN) m / (GaN) n kompozicijos D3 ir D5 beveik atitiko numatytą vertę 4: 1, o D4 ir D6 kompozicijos beveik priartėjo prie suplanuoto 1: 1.

Image

Visas dydis

Kadangi XRD rezultatai atskleidžia tik AlGaN plėvelių makrokompozicijas, HRTEM rezultatais buvo patvirtintos (AlN) m / (GaN) n SL. 3 pav. (A) pavaizduotas D5 pavyzdžio AlGaN SL, išauginto ant safyro, skerspjūvio HRTEM vaizdas. Bendras AlGaN SL storis buvo apie 210 nm. Padidintas „AlGaN SL“ HRTEM vaizdas ir atitinkamas FFT vaizdas parodyti 3 pav. (B) ir (c). AlGaN SL augimo kryptis safyro srityje buvo [0002], suderinus su XRD rezultatais. Kaip parodyta 3 pav. (C), viename bloke išilgai [0002] ašies buvo gautos penkios papildomos difrakcijos dėmės. Keturios mėginio nustatymo dėmės buvo priskirtos (AlN) 4 / (GaN) 1 SL, rodančios, kad buvo pasiekta monosluoksnio SL struktūra ir NN Ga atomo skaičius padidėjo D5 pavyzdyje. Vieną skilimo vietą gali sukelti dislokacijos. Taigi buvo išmatuota, kad D5 pavyzdys yra (AlN) 4 / (GaN) 1 superlaidumai, pasiekiant suprojektuotą (AlN) m / (GaN) n SL struktūrą su padidintu NN Ga atomo skaičiumi.

Image

( a ) D5 pavyzdžio AlGaN / Al 2 O 3 skerspjūvio HRTEM vaizdas. b ) Padidintas HRTEM AlGaN superlaidumų vaizdas D5 pavyzdyje. c ) ( b ) FFT vaizdas.

Visas dydis

4 paveiksle pavaizduotos D4, D5 ir D6 mėginių IV charakteristikos esant skirtingoms temperatūroms. Linijinė IV elgsena rodė ohinius kontaktus tarp Ni / Au elektrodų ir AlGaN plėvelių. Gerą omų elgesį galima priskirti susidarius p-tipo NiO 34 . D5 pavyzdžiui buvo nustatyta, kad varžos yra atitinkamai 13, 67 GΩ, 5, 776 GΩ, 2, 090 GΩ, 1, 042 GΩ, 547, 8 MΩ ir 340, 3 MΩ, esant atitinkamai 50, 80, 110, 140, 170 ir 200 ° C temperatūrai. Įdėklai rodo atitinkamą Arrhenijaus varžos ( ρ ) ir temperatūros (T) diagramą. Nuo

Image
, Mg jonizacijos energija (E A ) Al x Ga1 N N bandinyje D5 buvo nustatyta kaip 0, 331 eV, kaip parodyta 4 pav. (b). Tos pačios procedūros buvo atliekamos ir kitiems mėginiams. Kalbant apie IV asimetrijos kreives, kaip parodyta 4 pav. (C), E A buvo apskaičiuota atskirai esant teigiamajai ir neigiamajai įtampai, o tada sudaryta iš vidurkio. D1-D6 mėginių EA atitinkamai buvo 0, 386, 0, 378, 0, 358, 0, 344, 0, 331 ir 0, 311 eV. Didžiausias E A, kaip 0, 386 eV, buvo D1 pavyzdyje, o žemiausias E A, kaip 0, 311 eV, buvo D6 pavyzdyje, palyginus su apskaičiuotais rezultatais, kad didelis E A aukšto Al komponento lydiniuose ir žemas E A žemo Al komponento SL.

Image

A ) D4, b ) D5 ir c ) D6 mėginio IV savybės esant skirtingoms temperatūroms. Įdėklai rodo atitinkamus atsparumo ir temperatūros Arrhenius grafikus. Dg, D5 ir D6 mėginių MG jonizacijos energija AlGaN buvo atitinkamai 0, 344, 0, 331 ir 0, 311 eV.

Visas dydis

5 paveiksle parodyta E A priklausomybė nuo Al kompozicijos AlGaN trimis dopingo metodais. Akivaizdu, kad E A pasiekia žemesnes vertes Mg Ga δ disperguotuose AlGaN SL, terpę Mg legiruotuose SL ir aukštesnę tradiciniuose Mg legiruotuose AlGaN lydiniuose. Kalbant apie Al kiekį maždaug 0, 8, E A sumažėja nuo 0, 378 iki 0, 358, tada iki 0, 331 eV, naudojant tris metodus paeiliui, kai Mg legiruoti AlGaN lydiniai, Mg legiruoti SL ir Mg Ga δ lydinti SL. Taigi Mg akceptoriaus aktyvacijos energiją galima žymiai sumažinti nuo 0, 378 iki 0, 331 eV, naudojant Mg Ga δ dopingą (AlN) 4 / (GaN) 1 SL, o ne tradicinį Mg dopingą Al 0, 8 Ga 0, 2 N lydiniuose. Skirtumas tarp teorinės vertės (0, 26 eV) ir eksperimentinės (0, 331 eV) priskiriamas dėl dviejų priežasčių: pirma, šiame eksperimente buvo išmatuota Mg aktyvavimo energijos makro funkcija Ga ir Al, tuo tarpu tik Mg aktyvacijos energija Ga buvo apskaičiuota kaip 0, 26 eV; antra, išaugę (AlN) 4 / (GaN) 1 SL nebuvo tobuli monokristalai su dislokacijomis, kurie gali paveikti Mg aktyvacijos energiją. Todėl mes eksperimentiškai įrodėme teorinę prognozę, kad Mg akceptoriaus aktyvacijos energija gali būti žymiai sumažinta (AlN) m / (GaN) n SL 1 .

Image

Visas dydis

Išvados

Apibendrinant, mes sistemingai tyrėme Mg dopingą dideliame AlGaN turinčiame AlGaN, naudodamiesi skirtingais dopingo metodais. Didelio AlGaN turinčio AlGaN Mg akceptoriaus aktyvavimo energiją galima žymiai sumažinti nuo 0, 378 iki 0, 331 eV, naudojant Mg Ga δ dopingą (AlN) 4 / (GaN) 1 SL, o ne tradicinį Mg dopingą Al 0, 8 Ga 0, 2 N lydiniuose. Mūsų eksperimentinis tyrimas patikrina pirmojo principo skaičiavimų 1 numatymą ir pateikia galimas taikymo galimybes AlGaN pagrindu veikiančiuose DUV optoelektronikos prietaisuose.

Papildoma informacija

Kaip cituoti šį straipsnį: Wang, X. et al . Eksperimentiniai įrodymai, skirti sumažinti Mg aktyvacijos energiją dideliame AlGaN lydinyje, naudojant Mg Ga δ dopingą (AlN) m / (GaN) n superlaidumoje. Mokslas. Rep. 7, 44223; „doi“: 10.1038 / srep44223 (2017).

Leidėjo pastaba: „ Springer Nature“ išlieka neutralus paskelbtų žemėlapių jurisdikcijos reikalavimų ir institucinių ryšių atžvilgiu.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.