Mechanism leading to semi-insulating property of carbon-doped GaN: Analysis of donor acceptor ratio and method for its determination

材料科学 接受者 碳纤维 费米能级 兴奋剂 亚稳态 杂质 化学物理 凝聚态物理 化学 光电子学 物理 有机化学 量子力学 复合数 复合材料 电子
作者
Christian Koller,L. Lymperakis,D. Pogány,Gregor Pobegen,Clemens Ostermaier
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:130 (18) 被引量:26
标识
DOI:10.1063/5.0060912
摘要

Carbon impurities in GaN form both acceptors and donors. Donor-to-acceptor ratios (DARs) determine the semi-insulating behavior of carbon-doped GaN (GaN:C) layers and are still debated. Two models are discussed; both can theoretically achieve semi-insulating behavior: the dominant acceptor model (DAM, DAR<1) and the auto-compensation model (ACM, DAR=1). We perform a capacitance–voltage analysis on metal/GaN:C/nGaN (n-doped GaN) structures, exhibiting Fermi-level pinning in GaN:C, 0.7 eV above the valence band maximum. This observation coupled with further interpretation clearly supports the DAM and contradicts the ACM. Furthermore, we reveal a finite depletion width of a transition region in GaN:C next to nGaN, where carbon acceptors drop below the Fermi level becoming fully ionized. Calculation of the potential drop in this region exhibits DAR values of 0.5–0.67 for GaN:C with total carbon concentrations of 1018 cm−3 and 1019 cm−3. Based on those results, we re-evaluate formerly published density functional theory (DFT)-calculated formation energies of point defects in GaN. Unexpectedly, growth in thermodynamic equilibrium with the bulk carbon phase contradicts our experimental analysis. Therefore, we propose the consideration of extreme carbon-rich growth conditions. As bulk carbon and carbon cluster formation are not reported to date, we consider a metastable GaN:C solid solution with the competing carbon bulk phase being kinetically hindered. DFT and experimental results agree, confirming the role of carbon at nitrogen sites as dominant acceptors. Under N-rich conditions, carbon at gallium sites is the dominant donor, whereas additional nitrogen vacancies are generated under Ga-rich conditions.
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