High sub-bandgap response and fast switching enabled by thermal quenching in carbon-doped semi-insulating GaN

Titel

Hoge responsiviteit onder de bandkloof en snelle schakeling mogelijk gemaakt door thermische quenching in koolstof-gedoteerd semi-isolerend GaN.

1. Het Probleem en de Context

Koolstof-gedoteerd Galliumnitride (GaN:C) is een veelbelovend materiaal voor optische schakelaars die worden geactiveerd door licht met een energie onder de bandkloof (sub-bandgap). Hoewel koolstof (C) in GaN vaak wordt gebruikt als compenserende dotering om bufferlekkage in elektronische apparaten te onderdrukken door diepe acceptor-niveaus te creëren, is het potentieel als actieve optoelektronische laag voor sub-bandgap schakeling nog onvoldoende onderzocht.

Bestaande materialen voor defect-gemedieerde fotoconductiviteit, zoals V-gedoteerd SiC of Ge-gedoteerd AlN, kampen vaak met beperkingen op het gebied van schaalbaarheid van de epitaxiale groei en integratie. GaN:C biedt een aantrekkelijk alternatief vanwege de volwassen epitaxiale ecosystemen, maar er is behoefte aan een beter begrip van de schakelkinetiek en de invloed van temperatuur op de prestaties, met name om snelle schakeltijden te realiseren.

2. Methodologie

De auteurs onderzochten de optische responsiviteit en de schakelkinetiek van semi-isolerend GaN:C dat was gedoteerd met koolstof. Het onderzoek omvatte:

• Monsterbereiding: Er werden twee soorten monsters getest:
  1. Een 1 µm dikke GaN:C-laag gegroeid via MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) op een ammonothermale GaN-substraat.
  2. Een 400 µm dik vrijstaand GaN:C-kristal gegroeid via HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy).
     In beide gevallen was de koolstofconcentratie hoger dan de donorconcentratie (Si + O), wat resulteerde in semi-isolerend gedrag.
• Contacten: Er werden verticale Schottky-contacten (Ni/Au of semitransparent Ni) en ohmische contacten (Ti/Al/Ti/Au) aangebracht om fotoconductiviteit en C-V metingen mogelijk te maken.
• Excitatie: De monsters werden blootgesteld aan sub-bandgap blauw licht (405 nm, 3,06 eV), wat onder de bandkloof van GaN (3,40 eV) ligt.
• Metingen:
  • Steady-state: I-V karakteristieken onder donkere omstandigheden en verlichting, en fotoluminescentie (PL) bij 3 K om defectniveaus te identificeren.
  • Transient: Fotoconductiviteitsvervalmetingen bij verschillende temperaturen (194 K tot 394 K) om de schakeltijden en activeringsenergieën te bepalen.
  • C-V Profiling: Om de door licht geïnduceerde ladingsdragerconcentratie te schatten.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Ontdekking van twee-regime kinetiek: De auteurs identificeren een uniek gedrag waarbij het verval van de fotostroom twee thermisch geactiveerde regimes vertoont, gescheiden door een overgangstemperatuur ($T_C$).
• Thermische Quenching: Ze demonstreren dat verhitting boven de overgangstemperatuur het verval van de fotostroom versnelt door een factor van vijf, wat leidt tot aanzienlijk snellere optische schakeling.
• Materiaalvergelijking: Ze plaatsen de prestaties van GaN:C in perspectief ten opzichte van andere breedbandkloofmaterialen (zoals diamant en AlN) en tonen aan dat GaN:C concurrerende prestaties levert met het voordeel van een gevestigde productietechnologie.
• Fysisch Model: Ze stellen een model op dat het overgangsgedrag verklaart door een verschuiving in het dominante recombinatiekanaal: van elektronenhervangst bij lage temperaturen naar gat-emissie-gemedieerde elektron-gaat-recombinatie bij hoge temperaturen.

4. Resultaten

• Hoge ON/OFF-verhouding: Er werd een uitzonderlijk hoge ON/OFF-verhouding bereikt:
  • $10^7$ voor het MOCVD-monster.
  • $10^9$ voor het HVPE-monster.
  • Dit werd bereikt bij een lage stralingsdichtheid van slechts 3,3 mW/cm² bij 405 nm.
• Fotoresponsiviteit: De HVPE-monsters vertoonden een responsiviteit van 3,3 A/W bij 405 nm.
• Temperatuurafhankelijkheid en Schakeltijd:
  • De fotoconductiviteitsvervalkinetiek toont twee regimes:
    1. Onder $T_C$ (16°C voor MOCVD, 44°C voor HVPE): Een verwaarloosbare activeringsenergie (~0 eV of 0,04 eV), waarbij het verval wordt gedomineerd door het hervangen van elektronen (barrièrevrij).
    2. Boven $T_C$: Een activeringsenergie van ongeveer 0,3 eV. Hier wordt het verval versneld door thermische quenching.
  • Versnelling: Door de temperatuur te verhogen van 20°C naar 70°C:
    • MOCVD: De uit-schakeltijd (95% verval) daalt van 9 ms naar 2 ms (78% verbetering).
    • HVPE: De uit-schakeltijd daalt van 9 ms naar 5 ms (44% verbetering).
• Defectidentificatie: De geobserveerde activeringsenergie van 0,3 eV wordt toegeschreven aan koolstof-waterstof defectcomplexen ($C_NH_i$), specifiek het $(0/+)$ overgangsniveau ongeveer 0,3 eV boven het valentieband.

5. Betekenis en Conclusie

De studie toont aan dat semi-isolerend GaN:C een krachtig materiaal is voor optisch aangestuurde schakelaars met sub-bandgap excitatie. De belangrijkste doorbraak is het inzicht dat thermische quenching een praktische en effectieve methode is om de schakelsnelheid van deze apparaten te vergroten zonder de materiaalsamenstelling te wijzigen.

Door de temperatuur boven een specifieke drempel te verhogen, kan het dominante recombinatiemechanisme worden verschoven naar een sneller kanaal (gat-emissie), wat de uit-schakeltijd met een factor vijf verkort. Dit biedt een nieuwe route voor het ontwerpen van snellere, defect-gedreven optoelektronische apparaten op basis van GaN, waarbij de complexiteit van de defectdynamiek wordt benut in plaats van als een beperking wordt gezien. De resultaten maken GaN:C competitief met andere geavanceerde halfgeleiders voor toepassingen zoals optisch aangestuurde ruimtelijke lichtmodulatoren en snelle fotoconductieve schakelaars.