[논문 리뷰] Polarization properties of wurtzite III nitride indicate the principle of polarization engineering

Kaikai Liu, Jingtao Li|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 22.

GaN-based semiconductor devices and materials인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 투모르사이트계 III-질화물 반도체에서 자발 및 피에조전기 극화를 아비시노 계산으로 조사하여 극화 공학을 위한 설계 원칙을 제시한다. 극화 벡터 상쇄를 통한 근사 제로 순극화를 갖는 이종접합체를 규명하고, BAlN 성분 변화를 통해 극화 도핑 효과를 두 배로 증가시킴으로써, 질화물 기반 광전기 및 파wr 장치의 성능 향상을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 투모르사이트계 III-질화물 이계합금 및 삼계합금에서의 자발 및 피에조전기 극화 성질을 이해하기 위해.
• 극화 유도 양자구속 슈타르크 효과를 감소시키기 위해 인터페이스에서 순극화가 근사 제로가 되는 이종접합 구조를 식별하기 위해.
• 장치 효율성 및 성능 향상을 위해 극화 도핑의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 질화물 반도체 장치에서 극화 공학을 위한 이론적 기초를 구축하기 위해.

제안 방법

• 자발 극화(SP) 및 피에조전기(PZ) 상수를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용한 아비시노 계산을 수행하였다.
• 연구는 이황색 구조를 가진 III-질화물 시스템에 중점을 두었으며, 이는 이계합금(예: GaN, AlN) 및 삼계합금(예: AlGaN, InGaN)을 포함한다.
• 극화 벡터 상쇄를 기반으로 체계적으로 이종접합을 설계하고 평가하여 인터페이스에서 근사 제로 순극화를 달성하였다.
• BAlN 성분 변화를 통해 극화 전하 밀도를 조절하고 극화 도핑 효과를 향상시키는 방법으로 도입하였다.
• 성분 기울기 변화에 따른 극화 유도 전하 밀도의 변화를 분석함으로써 극화 도핑 효과를 정량화하였다.
• 감소된 극화장과 향상된 도핑 효율성에 기반한 이론적 모델을 사용하여 장치 성능 향상 예측을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투모르사이트계 III-질화물 이계합금 및 삼계합금에서의 자발 및 피에조전기 극화 상수는 무엇인가?
• RQ2 어떤 이종접합 구성에서 인터페이스에서 근사 제로 순극화를 나타내는가?
• RQ3 BAlN 합금에서 성분 변화를 통해 극화 도핑은 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 극화 공학이 질화물 기반 광전기 및 파워 장치 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 첫 번째 원리 계산에서 극화 공학의 원칙을 체계적으로 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 아비시노 방법을 사용하여 투모르사이트계 III-질화물 이계합금 및 삼계합금에서 자발 및 피에조전기 극화 상수를 정확히 계산하였다.
• 인터페이스에서 극화 벡터 상쇄를 설계하여 순극화가 근사 제로인 이종접합체를 규명하였다.
• AlN에서 성분 변화를 통해 BAlN 합금에서 극화 도핑 효과가 두 배로 증가하는 것으로 나타났다.
• 이 연구는 극화 유도 양자구속 슈타르크 효과를 감소시키고 캐리어 구속을 향상시키는 질화물 장치 설계를 위한 이론적 프레임워크를 제공한다.
• 결과는 극화 공학이 III-질화물 기반 발광소자 및 고전력 트랜지스터의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다.