Примеси Ir в $$\alpha$$ - Шэньянская вольфрамовая группа, ООО

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8522 (2023) Цитировать эту статью

562 доступа

Подробности о метриках

В последнее время оксид галлия ($\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$) стал одним из наиболее активно изучаемых материалов благодаря своим конкурентоспособным электронным свойствам, таким как широкая запрещенная зона, высокое поле пробоя. , простой контроль концентрации носителей и высокая термическая стабильность. Эти свойства делают оксид галлия многообещающим кандидатом для потенциального применения в мощных электронных устройствах. Кристаллы $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ обычно выращивают методом Чохральского в иридиевом (Ir) тигле. По этой причине Ir часто присутствует в кристаллах $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ в качестве непреднамеренной легирующей примеси. В данной работе влияние дефектов внедрения Ir на потенциальную проводимость p-типа в $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ исследуется с помощью метода теория функционала плотности. Метастабильная фаза $\alpha$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ исследовалась как модельный объект для понимания процессов, вызванных легированием иридия в оксиде галлия. основанные системы. Полученные результаты позволяют лучше понять влияние Ir на $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ электронную структуру, а также дать интерпретацию оптических переходов, обнаруженных в недавних экспериментах.

Оксид галлия в своей бета-фазе ($\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$) имеет широкую запрещенную зону (4,7–4,9 эВ1,2). полупроводник, который в последнее время привлекает значительное внимание, становится одним из наиболее активно изучаемых материалов. Его многообещающие свойства, такие как широкая запрещенная зона, высокое поле пробоя (8 МВ/см), а также высокая термическая и химическая стабильность, делают $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_ {3}$ является сильным кандидатом для применения в мощной электронике3,4, такой как диоды Шоттки5,6 и полевые транзисторы7, а также в термометрах Больцмана8, солнечно-слепых ультрафиолетовых (УФ) фотодетекторах4, сцинтилляторах9 и другие10. Моноклинная $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ является термодинамически наиболее стабильной кристаллической фазой11. Метастабильный гексагонал $\alpha$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ по структуре подобен корунду и имеет несколько более широкую запрещенную зону 5,1–5,3 эВ12. ,13. Эту фазу можно получить с помощью различных процессов осаждения тонких пленок (например, радиочастотного (РЧ) распыления, галогенидной парофазной эпитаксии (HVPE), молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), атомно-слоевого осаждения (ALD), химического осаждения из паровой фазы (mist-CVD) ))14 и смог превзойти $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ по производительности устройства15.

Гетеропереходы необходимы для многих устройств, поэтому контроль проводимости n- и p-типа важен. Легирование N-типа легко достигается за счет добавления примесей Si, Sn, C и Ge16,17,18. Кислородные вакансии, являющиеся собственными дефектами, также могут выступать донорами электронов19. Было высказано предположение, что легирование Nb позволяет достичь аналогичного эффекта20. Хотя n-тип $\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ был успешно синтезирован, легирование p-типа все еще остается проблемой21. Наиболее многообещающими кандидатами на легирование p-типа являются Mg и N, хотя уровни наведенных дефектов относительно глубоки17. Исмам и др.22 обсуждают использование H-междоузлий для контроля как p-, так и n-nype-проводимости, однако подвижность дырок довольно низкая. Теоретические исследования предлагают совместное легирование N–P, Al–N и In–N для получения проводимости p-типа23,24. Тем не менее, проблем остается множество: вакансии кислорода имеют тенденцию противодействовать предполагаемым акцепторам, хотя это можно решить путем отжига в богатой O атмосфере, дефекты Mg и вакансии галлия, которые также действуют как акцепторы, пассивируются водородом19,25, и, таким образом, дырки становятся автолокализован вблизи атома кислорода26.

Кристаллы $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ выращиваются методом Чохральского (CZ) с использованием иридиевого (Ir) тигля27,28. В результате иридий присутствует в $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ в качестве непреднамеренной легирующей примеси27, и предполагается, что легирующая добавка Ir может влиять на проводимость p-типа25. В n-типе $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ Ir находится в Ir$^{3+}$ заряженном состоянии17. Заряженное состояние Ir$^{4+}$ возможно и при достаточно низком уровне Ферми, чего можно достичь введением примесей Mg17,29. Согласно расчетам Ritter et al. 25, Ir включается в октаэдрический узел $\hbox{Ga}_\text{II}$. В октаэдрическом кристаллическом поле 5 d-орбитали Ir расщепляются на 3 $t_{2g}$ низкоэнергетические орбитали и 2 $e_g$ орбитали с более высокой энергией. Ir$^{3+}$ ($5d^6$) не имеет сигнала электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), поскольку шесть d-электронов занимают 3 $t_{2g}$ орбитали ($\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow$)30. Ir$^{4+}$ ($5d^5$), с другой стороны, имеет состояние спина S=1/2 (\(\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow\ ))30.