[논문 리뷰] Ab initio shallow acceptor levels in gallium nitride

Vincenzo Fiorentini, Fabio Bernardini외 2명|ArXiv.org|1996. 10. 07.

GaN-based semiconductor devices and materials인용 수 4

한 줄 요약

이 ab initio 연구는 밀도 함수 이론을 사용하여 wurtzite 갈륨 질화물에서 얕은 수용체 수준을 예측하며, Be_Ga는 열 이온화 에너지가 약 ~0.06 eV인 얕은 수용체임을 밝혀내고, Mg_Ga와 Zn_Ga는 중간 깊이 수용체(0.23 eV 및 0.33 eV)이며, Ca_Ga, Cd_Ga, C_N는 깊은 수용체(~0.65 eV)임을 확인한다. 이 연구는 치환성 불순물이 상호 배치 또는 반대위치보다 에너적으로 유리하다는 것을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 첫 번째 원리 계산을 사용하여 wurtzite GaN에서 수용체 불순물의 전자 수준과 형성 에너지를 예측하기.
• GaN에서 탄소의 수용체 수준에 대한 최근 실험적 및 이론적 주장 간의 모순을 해결하기.
• GaN에서 치환성과 상호 배치 또는 반대위치 불순물 간의 상대적 안정성을 결정하기.
• Be, Mg, Zn, Ca, Cd와 같은 그룹 II 원소 중에서 GaN에서 얕은 또는 깊은 수용체를 형성하는 원소를 규명하기.
• GaN 기반 광전자 장치의 p형 도핑을 위한 신뢰할 수 있는 이론적 기준을 제공하기.

제안 방법

• GGA(일반화된 기울기 근사)를 사용한 밀도 함수 이론(DFT)을 적용하여 다양한 불순물이 포함된 GaN의 전자 구조를 계산하였다.
• 초세포 모델을 사용하여 wurtzite GaN 격자 내에서 치환성 위치(예: Be_Ga, Mg_Ga, C_N)에 고립된 불순물을 시뮬레이션하였다.
• 화학적 황과 페르미 수준에 따라 수용체의 형성 에너지를 계산하여 열역학적 안정성을 평가하였다.
• 수용체 수준에서 최대 가 valence band에서의 이온화 에너지를 계산하여 얕은 또는 깊은 특성을 결정하였다.
• 치환성, 상호 배치, 반대위치 구조의 총 에너지를 비교하여 상대적 안정성을 평가하였다.
• 필요한 경우 스핀 균형 계산을 수행하여 잠재적인 자성 상태를 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Be, Mg, Zn, Ca, Cd, C가 wurtzite GaN에서 Ga에 치환될 경우 이온화 에너지는 각각 얼마인가?
• RQ2 이 불순물들 중에서 p형 도핑에 적합한 얕은 수용체를 형성하는 것은 무엇인가?
• RQ3 치환성 불순물의 형성 에너지는 상호 배치 또는 반대위치와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 최근의 주장과는 달리, 탄소(C_N)는 GaN에서 얕은 수용체인지 깊은 수용체인지 무엇인가?
• RQ5 GaN에서 다양한 결함 구조의 상대적 열역학적 안정성은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 갈륨 자리에 있는 베릴륨(Be_Ga)은 열 이온화 에너지가 약 0.06 eV인 얕은 수용체이다.
• 갈륨 자리에 있는 마그네슘(Mg_Ga)은 이온화 에너지가 0.23 eV인 중간 깊이 수용체이다.
• 갈륨 자리에 있는 zinc(Zn_Ga)는 이온화 에너지가 0.33 eV인 중간 깊이 수용체이다.
• 갈륨 자리에 있는 calcium(Ca_Ga)과 cadmium(Cd_Ga)는 이온화 에너지가 약 0.65 eV인 깊은 수용체이다.
• 질소 자리에 있는 탄소(C_N)는 이온화 에너지가 0.65 eV인 깊은 수용체이며, 최근의 얕은 행동에 대한 주장과 정면으로 배치된다.
• 치환성 불순물은 GaN에서 상호 배치 또는 이종 반대위치보다 에너적으로 더 유리하다.