[论文解读] 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 Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2026

GaN-based semiconductor devices and materials被引用 0

一句话总结

研究表明通过等离子体辅助的 MBE 将 Mn 融入 GaN，在 N-rich 条件下最高，在 Ga-rich 条件下最低，无通量（Mn δ 掺杂）处于中间；相对于 N-rich 的 Mn 吸附系数在 0.31（无通量）和 0.01（Ga-rich）。

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.

研究动机与目标

• 研究 Ga/N 通量条件如何影响通过等离子体辅助的 MBE 生长的 GaN 中 Mn 的掺入。
• 在 Ga-rich、N-rich 和无通量（Mn δ-doping）生长条件下量化 Mn 的掺入水平。
• 确定在这些通量区间下相对 Mn 吸附系数。
• 理解表面动力学和阳离子位点竞争在 Mn 掺入中的作用。

提出的方法

• 在 Ga-polar GaN(0001) 模板上于 680 °C 条件下，在 Ga-rich、N-rich 和无通量条件下生长 GaN:Mn/GaN 多层膜。
• 保持 Mn 束流 flux 不变，同时切换 Ga 和 N flux 以建立不同的生长区间。
• 使用 SIMS 测定 Mn、O、C、H、Si 的浓度分布并估算 Mn 面密度。
• 基于 Mn 快门时间和 SIMS 剖面推导 Mn 掺入通量以得到相对吸附系数。
• 比较不同区域的 Mn 密度以推断对 Ga/N 通量条件的依赖性。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 生长过程中的 Ga/N 通量比率如何影响 GaN 中 Mn 的掺入？
• RQ2 在 Ga-rich、N-rich 及无通量生长条件下相对 Mn 吸附系数是多少？
• RQ3 Mn 的掺入是否与表面形貌变化或极性相关效应相关？
• RQ4 在生长过程中 Mn 脱附是否显著，影响表观 Mn 厚度？
• RQ5 在类似条件下，Mn 与 Mg 等掺杂在 GaN 的掺入趋势有何异同？

主要发现

• 在 N-rich 条件下 Mn 的掺入最高，约 1×10^20 cm^-3。
• 在 Ga-rich 条件下 Mn 的掺入最低，约 1×10^18 cm^-3。
• 在无通量 Mn δ-掺杂条件下 Mn 的掺入介于中间，Mn 密度约 1×10^19 cm^-3。
• 相对于 N-rich 的 Mn 吸附系数（标准化）在无通量为 0.31，Ga-rich 生长为 0.01。

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 $