[論文レビュー] Polarization properties of wurtzite III nitride indicate the principle of polarization engineering

Kaikai Liu, Jingtao Li|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

GaN-based semiconductor devices and materials被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、閃锌礦構造をとるIII族窒化物半導体における自己発生的および圧電的分極に関するab initio解析を提示し、分極工学のための設計原則を明らかにした。近似的にゼロのネット分極を示すヘテロジャンクションの同定と、BAlNの組成勾配を用いた分極ドーピング効果の二重化を示したことで、窒化ガリウム系光エレクトロニクス素子およびパワー素子の性能向上が可能になった。

ABSTRACT

The spontaneous and piezoelectric polarizations of III-nitrides considerably affect the operation of various III-nitride-based devices. We report an ab initio study of the spontaneous polarization (SP) and piezoelectric (PZ) constants of the III-nitride binary and ternary alloys with the hexagonal reference structure. These calculated polarization properties offer us a profound principle for polarization engineering of nitride semiconductor devices, based on which we propose a few heterojunctions which have nearly-zero polarization effect at the junctions that can potentially enhance optical and power device performances. The polarization doping effect was investigated as well and by BAlN grading from AlN the polarization doping effect can be doubled.

研究の動機と目的

• 閃亜鉛鉛構造をとるIII族窒化物系バイナリおよびテナリ合金における自己発生的および圧電的分極特性を理解すること。
• 量子閉じ込めスターリング効果を低減するため、界面でほぼゼロのネット分極を示すヘテロジャンクション構造を同定すること。
• デバイス効率および性能の向上に寄与する分極ドーピングの可能性を検討すること。
• 窒化ガリウム半導体素子における分極工学の理論的基盤を確立すること。

提案手法

• 自己発生的分極（SP）および圧電的分極（PZ）定数の計算のために、密度汎関数理論（DFT）を用いたab initio計算を実施した。
• 本研究では、六方晶構造をとるIII族窒化物系システムに焦点を当て、バイナリ系（例：GaN、AlN）およびテナリ系（例：AlGaN、InGaN）合金を対象とした。
• 分極ベクトルのキャンセレーションを基に、界面でのほぼゼロのネット分極を達成するため、ヘテロジャンクションを体系的に設計および評価した。
• BAlNの組成勾配を用いて分極電荷密度を制御し、分極ドーピング効果を強化する手法を導入した。
• 組成勾配に伴う分極誘起電荷密度の変化を分析することで、分極ドーピング効果を定量的に評価した。
• 理論的モデルを用いて、分極場の低減とドーピング効率の向上に基づくデバイス性能向上の予測を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閃亜鉛鉛構造をとるIII族窒化物系バイナリおよびテナリ合金における自己発生的および圧電的分極定数は何か？
• RQ2 どのヘテロジャンクション構成が界面でほぼゼロのネット分極を示すか？
• RQ3 BAlN合金における組成勾配を用いることで、分極ドーピングはどのように強化できるか？
• RQ4 分極工学が窒化ガリウム系光エレクトロニクス素子およびパワー素子の性能に与える影響は何か？
• RQ5 第一原理計算から、分極工学の原則を体系的に導出できるか？

主な発見

• ab initio手法を用いて、閃亜鉛鉛構造をとるIII族窒化物系バイナリおよびテナリ合金における自己発生的および圧電的分極定数を正確に計算した。
• 界面における分極ベクトルのキャンセレーションを設計することで、ほぼゼロのネット分極を示すヘテロジャンクションを同定した。
• AlNからの組成勾配を用いたBAlN合金では、分極ドーピング効果が二重に向上したことが判明した。
• 本研究は、量子閉じ込めスターリング効果を低減し、キャリアの閉じ込めを強化するための窒化ガリウム系デバイスの設計に向けた理論的枠組みを提供した。
• 結果から、分極工学がIII族窒化ガリウム系発光素子および高電力トランジスタの性能を顕著に向上させられることを示した。