[논문 리뷰] Bismuth-doped Ga2O3 as candidate for p-type transparent conducting material

Fernando P. Sabino, Xuefen Cai외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 03.

Ga2O3 and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 하ibrid 밀도함수이론을 사용하여 비스무트 도핑된 Ga2O3(Ga1-xBix)2O3가 p형 투명 전도산화물이 될 수 있음을 제안한다. Bi 도핑이 Ga 위치에 치환되어 Bi 6s 및 O 2p 오비탈에서 기인하는 높은 에너지의 중간 전도대를 형성함으로써, 밴드 갭을 감소시키고 p형 도핑 가능성을 높인다. 주요 결과는 중간 전도대가 충분히 높은 에너지 수준에 위치하여 효과적인 p형 도핑이 가능하면서도 큰 광학 밴드 갭을 유지함으로써, 투명한 p형 산화물로서 강력한 후보가 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• Ga2O3에서 p형 도핑 가능성을 조사하기 위해, 넓은 밴드 갭을 지닌 전력 전자 소자에 우수한 성능을 보이지만, 깊은 수용체 수준으로 인해 p형 도핑이 어려운 반도체인 Ga2O3의 특성을 분석한다.
• Bi가 Ga2O3 내에서 어느 위치에 치환되는지 확인하고, 전자 구조 및 밴드 에지 위치에 미치는 영향을 평가한다.
• Bi 도핑이 전도대 최고점의 위치를 높이고 수용체 이온화 에너지를 감소시켜 효과적인 p형 도핑이 가능해지는지 평가한다.
• 밴드 갭 감소에도 불구하고, (Ga1-xBix)2O3의 광학적 성질을 검토하여 가시광선 범위에서 투명성을 유지하는지 확인한다.
• UV 및 전력 전자 응용 분야에서 투명한 p형 도전성 산화물로 Bi 도핑된 Ga2O3의 잠재력을 탐색한다.

제안 방법

• 전자 구조를 계산하기 위해 하이브리드 밀도함수이론(HSE)을 사용하였으며, β-Ga2O3의 4.70 eV 밴드 갭을 정확히 재현하기 위해 32%의 하트리-폭스 혼합을 적용하였다.
• 희석된 (Ga1-xBix)2O3 합금을 모델링하기 위해 120원자 초세포를 사용한 특수 준무작위 구조(SQS)를 생성하였으며, Bi 농도는 각각 2.08%, 4.17%, 6.25%, 12.5%였다.
• 기하학 최적화에는 PBESol 함수를 사용하였고, 평면파 커파트는 620 eV를 사용하였으며, 전자 구조 계산에는 470 eV 커파트와 HSE 함수를 사용하였다.
• 전자-이온 상호작용을 기술하기 위해 프로젝션된 증강파(PAW) 포텐셜을 사용하였으며, 외각 전자 구성은 O:2s22p4, Ga:3d104s24p1, Bi:5d106s26p3였다.
• 광학적 성질은 주파수 의존성 유전율 매트릭스를 사용하여 크레머-크로니크 관계를 적용하여 계산하였으며, 5×10−4 eV의 로레츠형 넓이를 적용하였다.
• 브릴루앙 존은 원자세포에 대해 8×8×4 k-포인트 메쉬로 샘플링하였으며, 초세포의 경우 동일한 밀도를 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi는 β-Ga2O3에서 Ga 자리에 치환되는 것이 더 선호되는가? 이 선호도의 열역학적 구동력은 무엇인가?
• RQ2 Bi 도핑은 Ga2O3의 밴드 갭과 전도대 최고점의 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Bi 도핑에 의한 중간 전도대의 도입이 수용체 이온화 에너지를 감소시켜 효과적인 p형 도핑을 가능하게 하는가?
• RQ4 (Ga1-xBix)2O3의 광학적 투과 범위는 무엇이며, 밴드 갭 감소에도 불구하고 가시광선 영역에서 투명성을 유지하는가?
• RQ5 중간 전도대에서 도체대로의 최소 에너지 전이가 여전히 가시광선 영역을 초과하는가? 이는 투명성을 유지하는가?

주요 결과

• Bi는 β-Ga2O3에서 Ga 자리에 선호적으로 치환되어 희석된 (Ga1-xBix)2O3 고체용액을 형성하며, 합금 형성에 유리한 혼합 엔탈피를 보인다.
• Bi 도핑은 원래의 O 2p 전도대보다 훨씬 높은 에너지 수준에 위치한 새로운 중간 전도대를 도입한다. 이 전도대는 주로 Bi 6s 및 O 2p 오비탈에서 기인한다.
• 중간 전도대가 충분히 높은 에너지 수준에 위치하여, 깊은 결함 준위와 분리되고 수용체의 이온화 에너지가 감소함으로써 효과적인 p형 도핑이 가능하다.
• 이 중간 전도대 형성으로 인해 Bi 도핑 몇 퍼센트만으로도 Ga2O3의 밴드 갭이 감소하지만, 중간 전도대에서 도체대로의 최소 에너지 전이가 여전히 가시광선 영역(400–700 nm)을 초과한다.
• 계산된 광학 밴드 갭은 2.5 eV 이상을 유지하여, Bi 도핑된 Ga2O3가 가시광선 영역에서 강력한 투명성을 유지함을 시사한다.
• 높은 에너지 수준의 전도대와 가시광선 투과성의 유지가 결합되어 (Ga1-xBix)2O3는 p형 투명 전도 산화물로서 강력한 후보가 된다.