[論文レビュー] Bismuth-doped Ga2O3 as candidate for p-type transparent conducting material

Fernando P. Sabino, Xuefen Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2019

Ga2O3 and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ハイブリッド密度汎関数理論を用いて、BiがGaサイトにドーピングされたガリウム酸化物（Ga1-xBix)2O3がp型透明導電酸化物として実現可能であることを示した。Biドーピングにより、Bi 6sおよびO 2p軌道からなる高エネルギーの中間価電子帯が形成され、バンドギャップが縮小され、p型伝導が可能になる。主な結果として、中間帯が十分に高エネルギーに位置することで、効果的なp型ドーピングが可能になるとともに、大きな光学的バンドギャップを維持でき、透明p型酸化物の強力な候補となることが示された。

ABSTRACT

Gallium oxide (Ga2O3) is a wide-band-gap semiconductor promising for UV sensors and high power transistor applications, with Baliga's figure of merit that far exceeds those of GaN and SiC, second only to diamond. Engineering its band structure through alloying will broaden its range of applications. Using hybrid density functional calculations we study the effects on adding Bi to Ga2O3. While in III-V semiconductors, such as GaAs and InAs, Bi tend to substitute on the pnictide site, we find that in Ga2O3, Bi prefers to substitute on the Ga site, resulting in dilute (Ga_{1-x}Bi_{x})2O3 alloys with unique electronic structure properties. Adding a few percent of Bi reduces the band gap of Ga2O3 by introducing an intermediate valence band that is significantly higher in energy than the valence band of the host material. This intermediate valence band is composed mainly of Bi 6s and O 2p orbitals, and it is sufficiently high in energy to provide opportunity for p-type doping.

研究の動機と目的

• ガリウム酸化物（Ga2O3）におけるp型伝導の可能性を検討すること。Ga2O3は優れたパワー電子素子特性を有する広帯ギャップ半導体であるが、深いアクセプタ準位のためp型ドーピングが困難である。
• BiのGa2O3中のサイト選択的挙動を特定し、電子構造およびバンド端位置への影響を評価すること。
• Biドーピングが価電子帯最大値を上昇させ、アクセプタのイオン化エネルギーを低下させることで、効果的なp型ドーピングを可能にするかを評価すること。
• バンドギャップの縮小にもかかわらず、(Ga1-xBix)2O3の光学的性質を評価し、可視光領域で透明であるかを確認すること。
• BiドーピングされたGa2O3が、UVおよびパワー電子素子用途に適した透明p型導電酸化物としての可能性を検討すること。

提案手法

• 電子構造の計算にはハイブリッド密度汎関数理論（HSE）を用い、β-Ga2O3の4.70 eVのバンドギャップを正確に再現するため、62%のヘリス・フォック交換混合を採用した。
• 希薄な（Ga1-xBix)2O3合金をモデル化するため、120原子のスーパーセルを用いた特殊準ランダム構造（SQS）を生成し、Bi濃度を2.08%、4.17%、6.25%、12.5%に設定した。
• 構造最適化にはPBESol関数を用い、620 eVの平面波カットオフを設定した。電子構造計算には470 eVのカットオフとHSE関数を用いた。
• 電子-イオン相互作用を記述するため、プロジェクテッド・アウperator・ウェーブ（PAW）ポテンシャルを用い、価電子配置は：O:2s22p4、Ga:3d104s24p1、Bi:5d106s26p3とした。
• 光学的性質は、周波数依存の誘電率マトリックスを用い、クライマー＝クロニッケン関係を適用して計算した。幅は5×10−4 eVのローレンツ関数で平滑化した。
• ブリユアンゾーンのサンプリングには、プリミティブセルで8×8×4のkポイントメッシュを用い、スーパーセルに対しても同等の密度とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Biはβ-Ga2O3においてGaサイトかOサイトに優先して置換するか。この選択的挙動の熱力学的駆動力は何か。
• RQ2 BiドーピングはGa2O3のバンドギャップおよび価電子帯最大値にどのように影響を与えるか。
• RQ3 Biドーピングによって誘導される中間価電子帯が、アクセプタのイオン化エネルギーを低下させ、効果的なp型ドーピングを可能にするか。
• RQ4 (Ga1-xBix)2O3の光学的透過性範囲は何か。バンドギャップの縮小にもかかわらず、可視光領域で透明性を維持するか。
• RQ5 中間価電子帯から伝導帯への最小エネルギー遷移が、依然として可視光範囲（400–700 nm）を超えて保たれるか。

主な発見

• Biはβ-Ga2O3においてGaサイトに優先して置換し、希薄な（Ga1-xBix)2O3固溶体を形成する。混合エンタルピーが有利であるため、合金の形成が可能である。
• Biドーピングにより、元来のO 2p価電子帯よりもはるかに高いエネルギーに位置する新しい中間価電子帯が形成され、主にBi 6sおよびO 2p軌道から構成される。
• 中間価電子帯が十分に高エネルギーに位置しているため、深層欠陥準位から分離され、アクセプタのイオン化エネルギーが低下し、効果的なp型ドーピングが可能になる。
• この中間帯の形成により、Ga2O3のバンドギャップはBiドーピングで数パーセント程度縮小されるが、中間帯から伝導帯への最小エネルギー遷移は依然として可視光範囲（400–700 nm）を超えて保たれる。
• 計算された光学的バンドギャップは2.5 eV以上であり、BiドーピングされたGa2O3が可視光スペクトルにおいても強い透明性を維持することが示された。
• 高エネルギーの価電子帯と可視光透過性の両方を備えたことから、(Ga1-xBix)2O3はp型透明導電酸化物として非常に有望な候補である。