[논문 리뷰] Dependence of the Mn sticking coefficient on Ga-rich, N-rich, and Ga/N-flux-free conditions in GaN grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy

YongJin Cho, Changkai Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 13.

GaN-based semiconductor devices and materials인용 수 0

한 줄 요약

본 연구는 플라즈마 보조 MBE로 GaN에 Mn 도입이 N-풍부 조건에서 가장 높고 Ga-풍부 조건에서 가장 낮으며, 무플럭스(no-flux, Mn δ-도핑)가 중간임을 보였다; Mn의 N-풍부에 대한 결착계수는 무플럭스에서 0.31, Ga-풍부에서 0.01이다.

ABSTRACT

This brief report examines the influence of Ga/N flux conditions on Mn incorporation in GaN. Mn-doped GaN layers were grown at 680$^{\circ}$C by molecular beam epitaxy on a Ga-polar GaN(0001) template substrate under Ga-rich, N-rich, and no-flux conditions (i.e., Mn $δ$ doping). Mn incorporation was highest under N-rich condition, lowest under Ga-rich condition, and intermediate in the absence of Ga and N fluxes. For the growth conditions examined in this study, the corresponding Mn sticking coefficients, relative to that of the N-rich condition, were determined to be 0.31 for no-flux growth and 0.01 for the Ga-rich growth.

연구 동기 및 목표

• 플라즈마 보조 MBE로 성장한 GaN에서 Ga/N 플럭스 조건이 Mn 도입에 어떤 영향을 미치는지 검토한다.
• Ga-풍부, N-풍부, 및 no-flux(Mn δ-도핑) 성장에서 Mn 도입 수준을 정량화한다.
• 이들 플럭스 조건에서의 상대 Mn 결착계수를 결정한다.
• Mn 도입에서 표면 동역학과 양이온 자리 경쟁의 역할을 이해한다.

제안 방법

• Ga-polar GaN(0001) 기판 위에 GaN:Mn/GaN 다층을 680 °C에서 Ga-풍부, N-풍부, 및 no-flux 조건하에 성장시킨다.
• 다른 성장 regimes를 구축하기 위해 Mn 빔 플럭스는 일정하게 유지하고 Ga 및 N 플럭스를 전환한다.
• Mn, O, C, H, Si 농도를 프로파일링하고 Mn 면적 밀도를 추정하기 위해 SIMS를 사용한다.
• Mn 셔터 타이밍과 SIMS 프로파일로 Mn 도입 플럭스를 계산하여 상대적 결착계수를 도출한다.
• Ga/N 플럭스 조건에 따른 의존성을 추론하기 위해 영역 간 Mn 밀도를 비교한다.

Figure 1: (a) Schematic layer structure of GaN:Mn/GaN multilayers grown on a GaN template at 680 ∘ C by MBE. The double and single asterisks indicate growth interruptions of 12 min. and 6 min., respectively. (i)–(v) RHEED patterns taken along the $<$ 11 $\bar{2}$ 0 $>$ azimuth at various stages of t

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성장 중 Ga/N 플럭스 비가 GaN에서 Mn 도입에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Ga-풍부, N-풍부, 및 no-flux 성장 조건에서의 상대 Mn 결착계수는 무엇인가?
• RQ3 Mn 도입이 표면 형상 변화나 극성 관련 효과와 상관관계가 있는가?
• RQ4 성장 중 Mn 탈착이 중요한가, 보이는 Mn 두께에 영향을 주는가?
• RQ5 유사한 조건에서 Mn 도입 경향을 GaN의 Mg 같은 다른 도펀트와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Mn 도입은 N-풍부 조건에서 가장 높으며, 약 1×10^20 cm^-3이다.
• Mn 도입은 Ga-풍부 조건에서 가장 낮으며, 약 1×10^18 cm^-3이다.
• Mn 도입은 no-flux Mn δ-doping에서 중간이며, Mn 밀도는 약 1×10^19 cm^-3이다.
• 상대 Mn 결착계수(N-풍부에 대해 정규화)는 no-flux가 0.31, Ga-풍부 성장은 0.01이다.

Figure 2: SIMS depth profiles of GaN:Mn/GaN multilayers grown on a GaN template at 680 ∘ C by MBE, showing (a) O, C, Si, and H and (b) Mn concentrations in the layers, with detection limits of $3\times 10^{15}$ cm -3 for Si and O, $1.5\times 10^{15}$ cm -3 for C, $1\times 10^{17}$ cm -3 for H, and $