The carbon (C) doping characteristics of GaAs epilayers have been investigated by varying the growth parameters of V/III ratio and growth temperature. Heavily carbon doped GaAs epilayers were obtained by reducing the V/III ratio down to 1 or using $CCl_4$ gas sources. All epilayers were grown by low-pressure and atmospheric-pressure metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). The temperature dependence of electrical properties of C doped GaAs epilayers have been investigated by Van der Pauw Hall analysis. The empirical relation of Hall mobility appropriate for C doped GaAs was obtained using the simple expression by Hilsum with some modified parameters. For C doped GaAs epilayers of p of $4.25\times{10^{19}}\;cm^{-3}$ and $1.01\times10^{20}\; cm^{-3}$, the mobilities were nearly constant at low temperature range ($T<100$ K), however they were decreased at high temperature range ($T>100$ K) due to optical phonon scattering. The temperature dependence of mobility has been analyzed using a simple analytical equation in degenerate limit and constant effective mass. There was no compensation in C doped GaAs epilayer of p of $4.25\times10^{19}\; cm^{-3}$, however there was a little compensation ($N_d/N_a=0.02$) in the epilayer with heavy doping concentration of $p=1.01\times10^{20}\; cm^{-3}$. The (400) diffraction peak of the C doped GaAs epilayer was splitted from the substrate GaAs peak. The measured angular separation was 191.25 arc sec for C doped GaAs with hole concentration of $9\times10^{19}\; cm^{-3}$. The lattice constant decreased with increasing the hole concentration due to strain by the incorporation of carbon, which has a smaller covalent radius than gallium and arsenic. The relationship between the hole concentration and the critical layer thickness ($L_c$) by the excess stress and Matthews- Blakeslee model was also discussed. It was calculated for both pure case and 10 \% compensated case. The excess stress model is more agreeable for C doped GaAs epilayers than the Matthews- Blakeslee model. The excess stress, at which partial strain relief (or surface cross hatching) became observable was $\sigma\,_{exc}/\mu= 0.0021$ for pure case and 0.0024 for 10 \% compensated case. The low temperature (12 K) PL spectra of C doped GaAs epilayers have been analyzed. No traces of donor levels were observed in the PL spectra. Well-behaved carbon incorporation as acceptor into the As sites could be suggested. The peak energy of the PL spectrum shifted to lower energy and the full width at half maximum (FWHM) increased with increasing hole concentration. The empirical relations for the FWHM of PL spectrum were obtained over two distinguished hole concentration regions. The relations are $\Delta{E(p)}= 2.5\times10^{-6}\,p^{1/5}$ for concentrations ranging from $10^{16}$ to $\sim1\times10^{19}\; cm^{-3}$ and $\Delta{E(p)} = 2.60\times10^{-15}\, p^{2/3}$ for concentrations above $1\times10^{19}\; cm^{-3}$, where $\Delta{E(p)}$ is the FWHM of PL spectrum and p is hole concentration in $cm^{-3}$, respectively. These relations are considered to provide a useful tool to determine free hole concentration in C doped GaAs by PL measurements at 12 K. As the hole concentration is increased above $2\times10^{19}\; cm^{-3}$, a shoulder separated from the PL peak was observed in the PL spectrum and became very prominent at $p= 9.0 \times 10^{19} cm^{-3}$. Temperature dependence of band gap energy $E_g$ and PL peak energy $E_g$ shift of C doped GaAs with a hole concentration of $p=9.2 \times 10^{19} cm^{-3}$ has been measured. The resulting $E_g$ and $E_M$ at O K are ($1.420\pm0.003$) eV and ($1.458\pm0.003$) eV, respectively. The PL peak energy of C doped GaAS with hole concentrations varying from $1 \times 10^{17}$ to $9.2 \times 10^{19} cm^{-3}$ have been measured and compared with previously reported data. An empirical relation of the effective band gap shrinkage was obtained for C doped GaAs, $\Delta{E_g}= - 2.17 \times 10^{-8}\, p^{1/3} [eV]4. The PL spectra have been analyzed on the basis of the Halperin and Lax bandtail model and an effective energy-dependent optical transition matrix element. The intensity distribution position of the PL spectrum of the conduction band to the heavy hole valence band transition was clearly separated from the intensity distribution of the conduction band to the light hole valence band transition. The conduction band to the light hole valence band transition is very prominent in the PL spectra of heavily C doped GaAs, and particularly at low temperatures. It is suggested that the shoulder peak which appears on the higher energy side of the PL spectra is mainly due to the conduction band to the light hole valence band transition. At room temperature, the shoulder peak disappears and the FWHM of the PL spectra increases; this is in good agreement with experimental results.
저압과 상압 MOCVD 장치로 정공 (hole) 농도가 $10^{20}cm^{-3}$ 이상인, 고농도로 탄소 도핑된 GaAs 에피층을 성장하여 전기적, 결정학적 특성 및 광학적 특성을 조사하였으며, 논리적인 모델을 제시하여 계산하고, 그 결과를 실험값과 비교하였다. 고농도의 탄소 도핑 농도를 얻기위해 저압 MOCVD 에서는 V/III 비와 성장 온도를 변화 시켰으며, 상압 MOCVD 에서는 $CCl_4$ 기체도 함께 사용하였다. V/III 비와 성장 온도가 감소함에 따라 고농도의 탄소가 에피층에 주입되었고, 성장 온도가 특정의 임계온도 이하로 감소하면 정공의 농도가 더 이상 증가하지 않고 포화되는데, 그 이유는 낮은 온도에서는 TMG와 $AsH_3$ 및 $CCl_4$의 열분해 효율이 감소하기 때문이다. 전기적 특성은 Van der Pauw 방법으로 측정하였다. 고농도로 탄소 도핑된 GaAs 에피층은 Zn 도핑된 GaAs 에피층에 비해 큰 이동도 (mobility)를 갖는데 그 이유는 탄소 도핑된 GaAs 에피층이 compensation 이 더 작게 되었기 때문이다. 이동도를 정공 농도의 함수로 나타내기 위해 Hilsum 의 경험식에서 변수 값들을 변화시켜 고농도로 탄소 도핑된 GaAs의 실험값과 잘 일치하는 관계식을 구하였다. 전기적 특성을 상온과 77 K 의 온도에서 도핑 농도의 함수로 측정한 결과, 정공 농도가 $5\times10^{18}cm^{-3}$ 이상으로 도핑된 에피층에서는 degenerate conduction 이 일어남을 보였다. 정공 농도 P 가 $4.25\times10^{19}cm^{-3}$ 와 $1.01\times10^{20}cm^{-3}$ 인 고농도로 도핑된 에피층의 경우 저온영역 (T<100 K) 에서는 degenerate conduction 때문에 이동도가 거의 일정한 값을 갖고, 100 K 이상의 온도에서는 포논 산란 (phonon scattering) 의 영향으로 이동도가 감소하였다. Heavily degenerate 조건에서 n-type 에 대하여 전개된 이동도 이론을 p-type 에 적합하게 응용하여 실험 결과를 해석하였다. 정공 농도 $p=1.01\times10^{20}cm^{-3}$ 인 에피층애서도 매우 작은 compensation ($N_d/N_a=0.02$) 값을 가짐을 알 수 있었다. Double crystal X-ray diffraction (DCXD) 방법으로 탄소 도핑된 GaAs 에피층과 기판간의 스트레인에 의해 생성된 분리된 회석각을 측정하였고 $p=9\times10^{19}cm^{-3}$ 인 경우 191.25 arc sec 이었다. 갈륨이나 비소에 비해 탄소의 작은 원자반경 (atomic radius) 때문에 발생하는 격자상수의 수축과 스트레인을 계산 하였다. 고온도로 탄소 도핑된 에피층의 경우 Matthews- Blakeslee 모델에 의해 예측된 임계 두께 ($L_c$) 보다도 훨씬 두꺼운 에피층에서도 완전한 경면을 갖기 때문에 이 현상을 해석하기 위해 excess stress 모델을 사용하였다. 위에서 계산된 격자상수와 스트레인 값, 그리고 excess stress 모델을 사용하여 에피층이 안정하게 유지되는 임계 두께를 계산 하였다. Excess stress $\sigma_{exc}/\mu$ 는 compensation 이 없는 경우와 10 \% compensation 이 있는 경우 각각 0.0021 과 0.0024 이었다. 여러가지 농도로 도핑된 에피층에 대하여 PL 스펙트럼 측정을 한 결과 도핑 농도가 증가함에 따라 peak 에너지는 점차 낮은 에너지 쪽으로 이동 하였다. 반직폭은 정공 농도가 $10^{16}$ 에서 부터 $1\times10^{19}cm^{-3}$ 영역에서는 $\Delta{E}(p)=2.55\times10^{-6}\,p^{1/5}$, 그리고 $1\times10^{19}cm^{-3}$ 이상의 영역 에서는 $\Delta{E}(p)=2.60\times10^{-15}\,p^{2/3}$ 으로 나타낼 수 있었다. 또한 온도를 변화시키면서 PL 스펙트럼 측정을 하여 에너지갭 ($E_M$) 과 peak 에너지의 위치 ($E_g$) 를 조사 하였고, $p=9.2\times10^{19}cm^{-3}$ 인 경우 $E_g$ 와 $E_M$ 은 각각 1.420$\pm$0.003 eV 과 1.458$\pm$ 0.003 eV 이었다. 온도의 변화에 따른 밴드갭을 조사하기 위해 Varnish 가 제안한 식을 사용하여 그에 따른 변수들을 결정 하였다. 또한 밴드갭 수축을 탄소 도핑 농도의 함수로 나타내면 $\Delta{E}_g=2.17\times10^{-8}\p^{1/3}$ 이었다. 그리고 Halperin 과 Lax 가 제안한 bandtail 모델과 실효 에너지 의존성 광천이 matrix 를 사용하여 여러가지 온도에 대하여 PL 스펙트럼에 대한 논리적 계산을 하고 실험치와 비교하였으며, 이들 결과가 상당히 잘 일치함을 보였다.
