Pengaruh hidrogen yang didoping secara tidak sengaja pada sifat sampel p-GaN yang didoping Mg yang ditumbuhkan melalui deposisi uap kimia organik logam (MOCVD) diselidiki melalui pengukuran fotoluminesensi suhu kamar (PL) dan Hall dan spektroskopi massa ion sekunder (SIMS). Ditemukan bahwa ada interaksi antara sisa hidrogen dan pengotor karbon. Peningkatan konsentrasi doping karbon dapat meningkatkan resistivitas p-GaN dan melemahkan intensitas pita blue luminescence (BL). Namun, ketika penggabungan hidrogen meningkat dengan konsentrasi doping karbon, peningkatan resistivitas yang disebabkan oleh pengotor karbon melemah dan intensitas pita BL ditingkatkan. Hal ini menunjukkan bahwa hidrogen yang diko-doping tidak hanya mengpasifkan MgGa , tetapi juga dapat mempasifkan pengotor karbon dalam p-GaN yang didoping-Mg.
Bahan semikonduktor generasi ketiga berbasis GaN dan paduannya telah menarik perhatian besar [1] karena aplikasinya yang luas termasuk dioda pemancar cahaya (LED) [2,3,4] dan dioda laser (LD) [5,6,7 ]. Meskipun perangkat fotonik berbasis GaN banyak dikomersialkan, konsentrasi lubang yang relatif rendah dan resistivitas tinggi dari GaN tipe-p masih secara signifikan membatasi kinerja perangkat tersebut [8, 9]. Banyak penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan efisiensi doping tipe-p untuk III-nitrida [10, 11]. Hidrogen dan karbon adalah dua pengotor sisa utama yang ada di lapisan logam-organik deposisi kimia (MOCVD)-tumbuh Mg-doped GaN epilayers. Telah diketahui bahwa pengotor hidrogen dapat mempasifkan Mg dalam p-GaN [12]. Di sisi lain, pengotor karbon dapat membentuk berbagai jenis cacat dan meningkatkan resistivitas p-GaN yang didoping Mg. Banyak penelitian telah dilakukan untuk mengurangi pengotor hidrogen dan karbon. Namun, ada beberapa penelitian tentang interaksi pengotor hidrogen dan karbon.
Diketahui bahwa terlalu banyak sisa pengotor hidrogen atau karbon dapat menyebabkan resistivitas tinggi pada film GaN yang didoping Mg. Karena lingkungan pertumbuhan MOCVD yang mengandung H, Mg selalu dipasifkan oleh pengotor hidrogen, dan kompleks ikatan Mg-H netral dapat terbentuk selama pertumbuhan film [13]. Untungnya, dengan cara yang luar biasa, kelompok Nakamura dkk. [12] pertama kali menunjukkan bahwa anil termal cepat di N2 ambient pada suhu > 700 °C dapat berhasil memisahkan kompleks Mg–H dan secara efektif menghilangkan atom hidrogen dari film GaN yang didoping Mg.
Selama beberapa tahun terakhir, dengan penelitian dan pengembangan perangkat long-wavelength multiple-quantum-well (MQW), lapisan InGaN/GaN dengan kandungan indium tinggi telah banyak digunakan sebagai lapisan aktif. Untuk menghindari segregasi dan degradasi struktural MQW, diperlukan suhu pertumbuhan yang relatif rendah (< 1000 °C) dan suhu annealing cepat yang relatif rendah. Namun, konsentrasi pengotor karbon yang didoping secara tidak sengaja meningkat seiring dengan penurunan suhu pertumbuhan, yang mengarah ke konsentrasi yang lebih tinggi dari cacat terkait pengotor karbon di GaN, yang ada dalam bentuk cacat substitusi (CN ), cacat interstisial (Ci ), dan kompleks [14, 15]. Cacat ini dapat bertindak sebagai donor atau spesies penerima dalam dan meningkatkan resistivitas p-GaN secara signifikan [16]. Akibatnya, film GaN tipe-p yang didoping Mg yang ditumbuhkan dengan suhu rendah (LT) sering menunjukkan resistivitas yang lebih tinggi daripada yang tumbuh pada suhu yang lebih tinggi. Berlawanan dengan harapan kami, penelitian kami menemukan bahwa film p-GaN dengan konsentrasi pengotor hidrogen dan karbon yang tinggi menunjukkan resistivitas yang relatif rendah.
Dalam karya ini, tiga set film GaN yang didoping Mg dengan konsentrasi yang berbeda dari pengotor sisa hidrogen dan karbon diselidiki melalui spektroskopi massa ion sekunder (SIMS), fotoluminesensi (PL), dan pengukuran Hall. Ditemukan bahwa hidrogen dapat mempasifkan pengotor karbon dalam p-GaN, yang menunjukkan arah baru untuk menumbuhkan film GaN tipe-p berkualitas tinggi.
Masih belum diketahui bagaimana mengontrol konsentrasi hidrogen sisa dengan mengatur kondisi pertumbuhan MOCVD. Jadi, sampel kami dibagi dalam kelompok yang berbeda berdasarkan hasil SIMS daripada kondisi pertumbuhan, konsentrasi Mg serupa di setiap kelompok.
Dalam karya ini, sejumlah film GaN yang didoping Mg ditumbuhkan pada templat lapisan GaN setebal 2 m yang tidak sengaja didoping dalam sistem deposisi uap kimia organik logam (MOCVD). Trimethylgallium (TMGa), amonia (NH3 ), dan bis-siklopentadienil-magnesium (Cp2 Mg) masing-masing digunakan sebagai prekursor untuk Ga, N, dan Mg. Suhu pertumbuhan semua sampel p-GaN relatif rendah pada 1020 °C. Konsentrasi doping Mg terutama disesuaikan dengan Cp2 laju aliran mg. Konsentrasi pengotor karbon sisa diatur terutama oleh NH3 laju aliran selama MOCVD—lebih banyak NH3 sesuai dengan lebih sedikit pengotor karbon [17]. Anil termal cepat dilakukan dalam lingkungan nitrogen pada suhu 800 °C selama 3 menit untuk de-passivate kompleks Mg–H.
Uji Hall dilakukan untuk mengukur resistivitas sampel p-GaN. Untuk membuat kontak ohmik pada GaN tipe-p, logam indium cair diarahkan pada permukaan sampel dan bertindak sebagai elektroda logam. Untuk memeriksa konsentrasi pengotor magnesium, hidrogen, karbon, dan oksigen, [Mg], [C], [H], [O], pengukuran spektroskopi massa ion sekunder (SIMS) dari sampel p-GaN ini diambil. Tujuh sampel dipilih karena konsentrasi Mg yang sesuai dan dibagi dalam tiga kelompok, konsentrasi Mg yang sama di setiap kelompok, dinamai A1, A2, A3, B1, B2, dan C1, C2.
Pengukuran fotoluminesensi (PL) suhu kamar dari semua sampel dilakukan dengan panjang gelombang 325 nm laser He–Cd pada kerapatan eksitasi sekitar 0,4 W/cm 2 . Intensitas pendaran dinormalisasi oleh intensitas pendaran emisi tepi-dekat (sekitar 3,44 eV) 1 untuk kepentingan analisis.
Hasil uji Hall dan pengukuran SIMS disajikan pada Tabel 1. Berdasarkan hasil SIMS pengukuran konsentrasi Mg, C, dan H, ketujuh sampel dibagi menjadi tiga kelompok A, B, dan C. Sampel pada setiap kelompok harus mirip dengan konsentrasi Mg, karena Mg adalah akseptor utama dalam p-GaN dan konduktivitas p-GaN sebagian besar disebabkan oleh Mg. Jadi, jika kita ingin menyelidiki pengaruh pengotor H dan C terhadap resistivitas, kita harus menjaga invariabilitas konsentrasi Mg di setiap kelompok. Pengaruh bersama dari konsentrasi doping pengotor ini pada properti sampel, terutama resistivitas listrik tipe-p, dianalisis. Konsentrasi doping magnesium dalam sampel ini sangat tinggi (dalam 10 19 ~3 × 10 19 cm −3 ) dan tidak memiliki perbedaan yang mencolok untuk sampel di setiap kelompok. Konsentrasi oksigen cukup rendah (10 16 cm −3 ) dan dapat diambil dari pertimbangan lebih lanjut.
Di grup A, kenaikan pengotor karbon menyebabkan peningkatan resistivitas yang luar biasa dari p-GaN, sedangkan di grup B, peningkatan hidrogen bersama dengan pengotor karbon ditemukan melemahkan tren ini. Dan grup C digunakan untuk menyelidiki lebih lanjut pengaruhnya pada pita BL.
Dapat dilihat pada Tabel 1 dan Gambar 1 bahwa untuk sampel A1–A3, konsentrasi pengotor karbon meningkat secara dramatis, mengubah dua orde besarnya dari 1,17 × 10 17 ke 1,12 × 10 19 cm − 3 , tetapi konsentrasi magnesium, hidrogen, dan oksigen hanya berubah sedikit. Dari penelitian sebelumnya, kami menyadari bahwa meskipun konsentrasi doping magnesium sangat tinggi, sebenarnya konsentrasi hole masih dua kali lipat lebih rendah dari magnesium karena laju ionisasi yang rendah dan kemungkinan kompensasi diri yang tinggi [18, 19]. Dalam GaN, MgGa memiliki energi ionisasi akseptor sebesar 260 meV [20], orde besarnya lebih dari kB T (sekitar 26 meV) dalam suhu kamar, dan cacat dan kotoran yang ada di GaN dapat mengkompensasi atau pasif MgGa , jadi konsentrasi lubang di GaN yang didoping Mg kira-kira dua kali lipat lebih rendah dari magnesium. Selain itu, sisa pengotor karbon juga dapat menimbulkan efek negatif terhadap konduktivitas GaN tipe-p [16]. Resistivitas sampel p-GaN dalam seri A meningkat secara nyata dengan meningkatnya konsentrasi karbon (dari 1,39 menjadi ~ 47,7 Ω cm). Oleh karena itu, perbedaan antara sampel A1–A3 dapat dikaitkan dengan perbedaan pengotor karbon. Seperti yang dijelaskan dalam penelitian kami sebelumnya [16], pengotor karbon mungkin secara istimewa memainkan peran pusat kompensasi tipe donor dalam film GaN yang didoping Mg. Donor dapat mengkompensasi akseptor magnesium. Oleh karena itu, resistivitas p-GaN meningkat dengan meningkatnya konsentrasi pengotor karbon sisa.
Resistivitas sampel berubah dengan konsentrasi C pada kelompok A dan B
Di sisi lain, dalam seri B, konsentrasi magnesium dan oksigen berubah sedikit di setiap kelompok seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar. 1. Konsentrasi karbon sampel B1 jauh lebih tinggi (sekitar 20 kali) daripada sampel B2. Namun, resistivitas sampel B2 cukup dekat dan tidak jauh lebih besar dari sampel B1. Tren ini berbeda dari apa yang telah kami amati untuk grup A. Oleh karena itu, ini menunjukkan bahwa tren yang berbeda dari variasi resistivitas dalam dua grup ini dapat dikaitkan dengan perbedaan konsentrasi pengotor hidrogen. Untuk sampel A1–A3, konsentrasi pengotor hidrogen berkurang sedikit, dengan faktor ~ 1/3, sedangkan konsentrasi pengotor karbon meningkat hampir dua kali lipat. Sebaliknya, untuk sampel B1-B2, konsentrasi pengotor hidrogen meningkat seiring dengan pengotor karbon. Dengan demikian, hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa penggabungan hidrogen dapat melemahkan pengaruh karbon pada resistivitas p-GaN yang didoping-Mg, menghasilkan efek tandingan.
Untuk menyelidiki lebih lanjut bagaimana pengotor karbon mengkompensasi akseptor magnesium dan mengapa hidrogen dapat melemahkan proses ini, pengukuran fotoluminesensi suhu kamar dilakukan. Pada Gambar 2a, seperti yang ditunjukkan oleh hasil pengukuran PL sampel A1~A3, puncak pendaran pada sekitar 2,9 eV dapat terlihat dengan jelas. Pita pendaran biru (BL) ini telah dipelajari selama beberapa dekade. Diketahui bahwa pita BL dalam spektrum p-GaN PL sekitar 2,9 eV memiliki karakter pendaran pasangan donor-akseptor yang berbeda. Untuk calon akseptor, diisolasi Mg pengganti cacat Ga (MgGa ) adalah pilihan alami. Dan kandidat yang paling mungkin untuk donor dalam pada GaN yang didoping-Mg sangat berat adalah kompleks tetangga terdekat, yang merupakan rekanan MgGa dan kekosongan nitrogen (VN ), dibentuk oleh kompensasi diri [21]. Karena intensitas integral pita BL berkurang dengan doping pengotor karbon yang lebih tinggi (Gbr. 2b), kita dapat mengasumsikan bahwa pengotor karbon dapat menurunkan jumlah pasangan donor-akseptor yang relevan dengan mengkompensasi akseptor magnesium, karena pengotor karbon mungkin lebih disukai memainkan peran pusat kompensasi tipe donor dalam film GaN yang didoping Mg [16]. Munculnya puncak 2,2 eV yang kuat untuk sampel A3 menunjukkan bahwa ada lebih banyak cacat terkait karbon pada sampel A3 [15].
a Hasil normalisasi intensitas PL sampel A1~A3. b Intensitas integral PL (segitiga padat) dan konsentrasi C (persegi padat) dan H (lingkaran padat) untuk sampel A1~A3. c Hasil normalisasi intensitas PL sampel B1 dan B2
Sementara itu, terlepas dari peningkatan besar konsentrasi karbon dan hidrogen dari B1 ke B2 dalam kelompok sampel B, spektrum PL dari kedua sampel ini cukup mirip satu sama lain. Sebenarnya, tidak ada pita BL yang jelas pada sampel B1 dan hanya puncak BL kecil pada sampel B2 (Gbr. 2c), mungkin karena konsentrasi magnesium yang relatif lebih rendah dalam sampel seri B (hampir 1 × 10 19 cm −3 ) dibandingkan dengan sampel kelompok A. Oleh karena itu, data sampel C1 dan C2 digunakan untuk memeriksa interaksi antara pengotor hidrogen dan karbon lebih lanjut.
Perlu dicatat bahwa konsentrasi Mg dan C dalam sampel C1 serupa dengan sampel C2, dan resistivitas kedua sampel juga serupa satu sama lain. Tetapi menarik untuk dicatat bahwa pita BL jelas berubah dalam spektrum PL dari kelompok sampel C.
Konsentrasi H dalam sampel C2 tiga kali lebih tinggi dari pada sampel C1. Gambar 3a menunjukkan bahwa intensitas pita BL cukup berbeda untuk sampel C1 dan C2. Intensitas pita BL dari C2 jauh lebih besar, yang dikaitkan dengan konsentrasi hidrogen yang lebih besar dalam sampel ini. Selain itu, intensitas integral pita BL meningkat dengan jelas dengan meningkatnya konsentrasi hidrogen, meskipun konsentrasi pengotor karbon (dapat menurunkan pita BL) juga meningkat sedikit pada waktu yang sama (Gbr. 3b). Ini menyiratkan bahwa alasan peningkatan pita BL adalah peningkatan pengotor hidrogen alih-alih karbon. Ini menunjukkan bahwa hidrogen dan karbon mungkin memiliki efek yang berlawanan pada pita BL p-GaN. Untuk pengotor hidrogen, kami berasumsi bahwa cara yang paling mungkin untuk meningkatkan pita BL adalah dengan membentuk pasangan donor-akseptor yang lebih relevan dengan membentuk kompleks C-H dengan pengotor karbon dan mempasifkan pengotor karbon dalam GaN yang didoping-Mg. Jadi, diperkirakan bahwa hidrogen dapat membentuk kompleks dengan karbon dalam sampel p-GaN yang didoping Mg, yang mengarah ke konsentrasi pusat kompensasi tipe donor yang lebih kecil. Dengan kata lain, hidrogen dapat mempasifkan karbon dan meningkatkan konduktivitas p-GaN yang didoping Mg. Investigasi lebih lanjut diperlukan untuk mengetahui bagaimana mengontrol penggabungan hidrogen untuk secara khusus mempasifkan pengotor karbon daripada akseptor Mg.
a Intensitas PL yang dinormalisasi sampel C1 dan C2. b Intensitas PL integral dan konsentrasi C dan H untuk sampel C1 dan C2
Singkatnya, efek pengotor karbon dan hidrogen pada film GaN yang didoping Mg diselidiki. Ditemukan bahwa pengotor karbon mungkin secara istimewa memainkan peran pusat kompensasi tipe donor dan mengkompensasi akseptor Mg dalam film GaN yang didoping Mg. Peningkatan konsentrasi doping karbon dapat meningkatkan resistivitas p-GaN dan melemahkan intensitas pita blue luminescence (BL). Namun, ketika penggabungan hidrogen meningkat dengan konsentrasi doping karbon, peningkatan resistivitas yang disebabkan oleh pengotor karbon melemah dan intensitas pita BL meningkat, yang menunjukkan bahwa hidrogen tidak hanya dapat mempasifkan MgGa akseptor, tetapi juga dapat mempasifkan karbon dengan membentuk kompleks C–H dengan pengotor karbon.
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
Gallium nitrida
Indium galium nitrida
Indium nitrida
Dioda laser
Perangkat pemancar cahaya
Mg pengganti cacat Ga
Deposisi kimia logam-organik
Beberapa sumur kuantum
Amonia
Spektroskopi massa ion sekunder
Trimetilgallium
Trimetilindium
Kekosongan nitrogen
bahan nano
Hidrogen sebagai CO2 -alternatif bebas bahan bakar fosil telah ada selama beberapa dekade, dan pertumbuhan bejana tekan plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP) untuk penyimpanan hidrogen pasti meningkat. Namun pada tahun 2020, hidrogen menjadi mandat, yang diidentifikasi oleh Komisi Eropa (EC) se
Kredit Foto:Hidrogen Universal Paul Eremenko, mantan chief technology officer untuk Airbus SE (Leiden, Belanda) dan United Technologies Corp. (Farmington, Conn., AS), telah mendirikan Universal Hydrogen (Los Angeles, California, AS) untuk menyediakan infrastruktur yang diperlukan untuk penerbangan
Pengelasan Karbon dan Baja Paduan Rendah serta Retak Akibat Hidrogen Pengelasan busur adalah proses di mana baja bergabung dengan koalesensi. Biasanya proses menggunakan bahan pengisi yang kompatibel. Sebelum sambungan yang terikat dengan baik diproduksi, permukaan sambungan harus dipanaskan di at
Bisakah Anda mencetak serat karbon 3D? Ya, Anda dapat mencetak 3D menggunakan serat karbon! Selama bertahun-tahun, bahan serat karbon telah digunakan untuk membuat banyak desain struktural. Beberapa produk yang dapat dibuat menggunakan komposit serat karbon antara lain sayap pesawat, rangka seped
