[논문 리뷰] Role of carbon and hydrogen in limiting $n$-type doping of monoclinic (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$

Sai Mu, Mengen Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 13.

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한 줄 요약

이 연구는 혼합 밀도함수이론을 사용하여 단일정계 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 n형 도핑의 한계를 조사하며, 알루미늄 함량이 70% 이하일 때까지 실리콘은 얕은 기여자로 유망하다고 규명한다. 그러나 MOCVD 성장에서 흔히 발생하는 의도하지 않은 탄소 및 수소 불순물이 보상 수용체를 형성하여, 특히 Cₐ–H 및 Cₒ–H 복합체에서 자유전자 농도가 심각하게 제한된다.

ABSTRACT

We use hybrid density functional calculations to assess n-type doping in monoclinic (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ alloys. We focus on Si, the most promising donor dopant, and study the structural properties, formation energies and charge-state transition levels of its various configurations. We also explore the impact of C and H, which are common impurities in metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). In Ga$_2$O$_3$, Si$_{Ga}$ is an effective shallow donor, but in Al$_2O_3$ Si$_{Al}$ acts as a DX center with a (+/-) transition level in the band gap. Interstitial H acts as a shallow donor in Ga$_2$O$_3$, but behaves as a compensating acceptor in n-type Al$_2O_3$. Interpolation indicates that Si is an effective donor in (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ up to 70% Al, but it can be compensated by H already at 1% Al. We also assess the diffusivity of H and study complex formation. Si$_{cation}$-H complexes have relatively low binding energies. Substitutional C on a cation site acts as a shallow donor in Ga$_2$O$_3$, but can be stable in a negative charge state in (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ when x>5%. Substitutional C on an O site (C$_O$) always acts as an acceptor in n-type (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$, but will incorporate only under relatively O-poor conditions. C$_O$-H complexes can actually incorporate more easily, explaining observations of C-related compensation in Ga$_2$O$_3$ grown by MOCVD. We also investigate C$_{cation}$-H complexes, finding they have high binding energies and act as compensating acceptors when x>56%; otherwise the H just passivates the unintentional C donors. C-H complex formation explains why MOCVD grown Ga$_2$O$_3$ can exhibit record-low free-carrier concentrations, in spite of the unavoidable incorporation of C. Our study highlights that, while Si is a suitable shallow donor in ALGO alloys, control of unintentional impurities is essential to avoid compensation.

연구 동기 및 목표

• 다양한 알루미늄 함량에서 단일정계 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 실리콘의 얕은 n형 도핑제로의 가능성 여부를 규명하는 것.
• 금속유기화학기상증착(MOCVD) 성장 중에 발생하는 일반적인 불순물인 탄소와 수소의 역할이 n형 도핑을 보상하는 방식을 조사하는 것.
• (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 Si, C, H 결함의 형성 에너지, 전하 상태 전이 수준 및 복합체 형성 특성을 평가하는 것.
• 실리콘 도핑에도 불구하고 MOCVD로 성장된 Ga₂O₃에서 낮은 자유전자 농도가 관찰되는 이유를 설명하는 것.
• 탄소 및 수소에 의한 보상 현상을 억제하기 위해 성장 및 열처리 조건을 최적화하기 위한 이론적 근거를 제공하는 것.

제안 방법

• 혼합 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 단일정계 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 Si, C, H 결함의 형성 에너지 및 전하 상태 전이 수준을 산출하였다.
• β-Ga₂O₃와 θ-Al₂O₃ 사이의 전이 수준을 보간하여 합금 조성 범위 전반에서 Si 기여자 행동을 추정하였다.
• 산소가 풍부한 환경과 산소가 부족한 환경 조건을 고려해 C 및 H 결함의 형성 에너지를 계산하였다.
• Si–H, C–H 및 C–O–H 복합체의 결합 에너지를 평가하여 안정성과 전자적 영향을 분석하였다.
• 성장 및 열처리 중 결함 이동 및 복합체 형성에서 수소의 이동도를 연구하여 그 역할을 평가하였다.
• 주요 결함 구조의 전자 구조를 분석하여 n형 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 기여자 또는 수용자 성질을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘은 고알루미늄 함량에서까지 단일정계 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 얕은 기여자로 유지될 수 있으며, 그 효과적인 도핑 범위는 무엇인가?
• RQ2 MOCVD로 성장된 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 흔히 존재하는 탄소 및 수소 불순물이 n형 도핑 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 C–H 및 Cₒ–H 복합체가 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 Si 및 C_Ga와 같은 얕은 기여자를 보상하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 n형 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 수소와 탄소가 보상 수용자로 작용하기 시작하는 알루미늄 함량은 어느 정도인가?
• RQ5 C_cation–H 및 C_oxygen–H 복합체와 같은 결함 복합체가 운반자 농도와 도핑 제어에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 보간된 ( + / 0 ) 전이 수준에 기반해 실리콘은 알루미늄 함량이 70% 이하일 때까지 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 효과적인 얕은 기여자로 유지된다.
• 수소는 Ga₂O₃에서는 얕은 기여자로 작용하지만, n형 Al₂O₃에서는 보상 수용자가 되며, 1% 알루미늄 함량에서 보상 작용이 시작된다.
• C_Ga(갈륨 자리에 있는 탄소)는 Ga₂O₃에서는 얕은 기여자로 작용하지만, (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 안정적인 음전하 상태 기여자로 작용하려면 x > 5%일 때여야 한다.
• C_O(산소 자리에 있는 탄소)는 항상 n형 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃에서 수용자로 작용하며, 산소가 부족한 조건에서 C_O–H 복합체를 형성할 수 있으며 에너적으로 유리하다.
• C_cation–H 복합체는 고결합 에너지의 수용체를 형성하여 x > 56%일 때 n형 도핑을 보상하며, C_O–H 복합체는 전체 조성 범위에서 수용자로 작용한다.
• C_O–H 복합체 형성이 MOCVD로 성장된 Ga₂O₃에서 탄소 관련 보상 현상을 설명하며, 불가피한 탄소 도입에도 불구하고 실험적 관찰과 일치한다.