[論文レビュー] Ab initio shallow acceptor levels in gallium nitride

Vincenzo Fiorentini, Fabio Bernardini+2 more|ArXiv.org|Oct 7, 1996

GaN-based semiconductor devices and materials被引用数 4

ひとこと要約

このab initio研究では、密度汎関数理論を用いて閃亜鉛鉛ガリウム窒化物における浅い受容体準位を予測し、Be_Gaが0.06 eVの熱的イオン化エネルギーを有する浅い受容体であるのに対し、Mg_GaおよびZn_Gaは中程度の深さの受容体（0.23 eVおよび0.33 eV）、Ca_Ga、Cd_Ga、およびC_Nは深さ約0.65 eVの受容体であることが明らかになった。研究では、置換不純物が格子間や反位点よりもエネルギー的に好ましいことが確認された。

ABSTRACT

Impurity levels and formation energies of acceptors in wurtzite GaN are predicted ab initio. Be_Ga is found to be the shallow (thermal ionization energy $\sim$ 0.06 eV); $Mg_{Ga}$ and $Zn_{Ga}$ are mid-deep acceptors (0.23 eV and 0.33 eV respectively); $Ca_{Ga}$ and $Cd_{Ga}$ are deep acceptors ($\sim$0.65 eV); $Si_N$ is a midgap trap with high formation energy; finally, contrary to recent claims, $C_N$ is a deep acceptor (0.65 eV). Interstitials and heteroantisites are energetically not competitive with substitutional incorporation.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、閃亜鉛鉛構造のGaNにおける受容体不純物の電子準位および生成エネルギーを予測すること。
• GaNにおける炭素の受容体準位に関して、矛盾する実験的および理論的主張を解明すること。
• GaNにおける置換不純物と格子間または反位点不純物の相対的安定性を特定すること。
• Be、Mg、Zn、Ca、CdといったII族元素がGaNにおいて浅いか深いかの受容体を形成するかを特定すること。
• GaNを基盤とする光エレクトロニクス素子におけるp型ドーピングの信頼できる理論的ベンチマークを提供すること。

提案手法

• GGA（一般化勾配近似）を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いて、GaNにさまざまな不純物を導入した系の電子構造を計算した。
• スーパーセルモデルを用い、閃亜鉛鉛構造のGaN格子内に孤立した不純物を置換サイトに配置（例：Be_Ga、Mg_Ga、C_N）した。
• 化学ポテンシャルおよびフェルミ準位の関数としての受容体の生成エネルギーを計算し、熱力学的安定性を評価した。
• 価電子帯上限から受容体準位までのイオン化エネルギーを計算し、浅いか深いかの性質を特定した。
• 置換、格子間、反位点構造の全エネルギーを比較し、相対的安定性を評価した。
• 必要に応じてスピン極化計算を実施し、潜在的な磁気状態を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閃亜鉛鉛構造のGaNにおいて、Gaサイトに置換されたBe、Mg、Zn、Ca、Cd、Cのイオン化エネルギーはそれぞれどれくらいか？
• RQ2 これらの不純物の中で、p型ドーピングに適した浅い受容体を形成するのはどれか？
• RQ3 置換不純物の生成エネルギーは、格子間または反位点不純物と比べてどの程度か？
• RQ4 最近の主張とは対照的に、C_NはGaNにおいて浅いか深いか？
• RQ5 GaNにおけるさまざまな欠陥構造の相対的熱力学的安定性はいかがなものか？

主な発見

• ガリウムサイトに置換されたホウケイ酸（Be_Ga）は、約0.06 eVの熱的イオン化エネルギーを有する浅い受容体である。
• ガリウムサイトに置換されたマグネシウム（Mg_Ga）は、イオン化エネルギーが0.23 eVの中程度の深さの受容体である。
• ガリウムサイトに置換された亜鉛（Zn_Ga）は、イオン化エネルギーが0.33 eVの中程度の深さの受容体である。
• ガリウムサイトに置換されたカルシウム（Ca_Ga）およびカドミウム（Cd_Ga）は、イオン化エネルギーが約0.65 eVの深さの受容体である。
• 窒素サイトに置換された炭素（C_N）は、イオン化エネルギーが0.65 eVの深さの受容体であり、最近の浅い挙動を示す主張とは矛盾する。
• 置換不純物は、GaNにおいて格子間または異種反位点よりもエネルギー的に好ましい。