C掺杂氮化镓费米能级移动机制及高电阻率特性研究

[实验材料与方法]
本研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在Si(111)衬底上制备C掺杂GaN薄膜，通过丙烷作为碳源前驱体实现不同浓度梯度掺杂。实验组设置4个碳浓度梯度（2×10¹⁶~2×10¹⁹ cm⁻³）样品，对照组选用典型p型Mg掺杂GaN（空穴浓度4×10¹⁷ cm⁻³）。通过二次离子质谱(SIMS)精确测定掺杂浓度，并采用光辅助开尔文探针力显微镜（PA-KPFM）与塞贝克系数联用方案揭示电学特性。

[关键实验发现]

1.掺杂阈值效应：当C浓度突破2×10¹⁸ cm⁻³时，费米能级呈现反常上移现象

2.导电类型转变：低浓度组（2×10¹⁶ cm⁻³）呈现n型导电，高浓度组转为半绝缘特性

3.自补偿机制：碳掺杂引发晶格缺陷形成施主型补偿中心，导致载流子浓度下降

[光辅助KPFM技术解析]

图1 a）VCPD测量原理示意图。 (b)、(d) 表面形貌和 (c)、(e) C 浓度为 2 × 1016 cm⁻³ (b)、(c) 和 2 × 1019 cm⁻³ 的 C 掺杂 GaN 的相应 VCPD 图分别为（d）、（e）

[掺杂浓度梯度影响]

图2 （a）n型和（b）p型GaN的带隙上方照明前后的费米能级位移示意图。 (c) 和 (d) 对于 C 浓度为 2 × 1019 cm⁻³ 的 C 掺杂 GaN 和空穴浓度为 4 × 1017 cm⁻³ 的 p 型 GaN，在去除足够的激光照射后立即测量的 VCPD 随时间变化的图像，分别。 (e) 和 (f) 分别为 (c) 中的 C 掺杂 GaN 和 (d) 中的 p 型 GaN 在去除照明之前和之后的相应 VCPD 值

• 低浓度n型组：光照后电子准费米能级上移0.15eV（图2a红色虚线）
• 高浓度半绝缘组：表面能带弯曲度增加35%，形成深耗尽层
• 反常迁移机制：碳浓度超过阈值时，CN受主被施主缺陷补偿（图2d）

[技术验证体系]

1.XPS能谱分析：碳杂质在Ga位点形成C₆H₅-Ga化学键

2.霍尔效应测试：载流子迁移率从180cm²/V·s（低浓度）降至5cm²/V·s

3.变温塞贝克系数：激活能0.45eV对应C相关深能级

参考文献：[1] Shan Wu et al 2022 Jpn. J. Appl. Phys. 61 090901

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