[论文解读] Ab initio shallow acceptor levels in gallium nitride

Vincenzo Fiorentini, Fabio Bernardini+2 more|ArXiv.org|Oct 7, 1996

GaN-based semiconductor devices and materials被引用 4

一句话总结

本从头算研究利用密度泛函理论预测纤锌矿氮化镓中的浅受主能级，揭示铍在镓位（Be_Ga）为浅受主，其热电离能约为0.06 eV；而镁在镓位（Mg_Ga）和锌在镓位（Zn_Ga）为中深受主（分别为0.23 eV和0.33 eV），钙在镓位（Ca_Ga）、镉在镓位（Cd_Ga）以及碳在氮位（C_N）为深受主（约0.65 eV）。研究证实，取代式杂质在能量上优于间隙位或反位缺陷。

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.

研究动机与目标

• 利用第一性原理计算预测纤锌矿GaN中受主杂质的能级与形成能。
• 解决关于碳在GaN中受主能级的实验与理论结果之间的矛盾争议。
• 确定GaN中取代式与间隙位或反位杂质的相对稳定性。
• 识别第II族元素（Be、Mg、Zn、Ca、Cd）在GaN中形成浅受主或深受主的情况。
• 为GaN基光电器件的p型掺杂提供可靠的理论基准。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）结合广义梯度近似（GGA）计算GaN中各类杂质的电子结构。
• 使用超原胞模型模拟孤立杂质在纤锌矿GaN晶格中取代位点（如Be_Ga、Mg_Ga、C_N）的结构。
• 计算受主的形成能随化学势和费米能级的变化，以评估热力学稳定性。
• 从价带顶到受主能级计算电离能，以判断受主的浅或深特性。
• 比较取代式、间隙位及反位构型的总能量，评估其相对稳定性。
• 在必要时执行自旋极化计算，以考虑潜在的磁性状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 当Be、Mg、Zn、Ca、Cd和C取代纤锌矿GaN中的Ga时，其电离能是多少？
• RQ2 这些杂质中哪些形成适合p型掺杂的浅受主？
• RQ3 取代式杂质的形成能与间隙位或反位杂质相比如何？
• RQ4 碳（C_N）在GaN中是浅受主还是深受主，与近期声称的浅行为相反？
• RQ5 GaN中不同缺陷构型的相对热力学稳定性如何？

主要发现

• 镓位的铍（Be_Ga）为浅受主，其热电离能约为0.06 eV。
• 镓位的镁（Mg_Ga）为中深受主，电离能为0.23 eV。
• 镓位的锌（Zn_Ga）为中深受主，电离能为0.33 eV。
• 镓位的钙（Ca_Ga）和镉（Cd_Ga）为深受主，电离能约为0.65 eV。
• 氮位的碳（C_N）为深受主，电离能为0.65 eV，与近期声称的浅行为相矛盾。
• 在GaN中，取代式杂质在能量上比间隙位或异质反位缺陷更稳定。