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

Sai Mu, Mengen Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2021

Semiconductor materials and devices参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究采用混合密度泛函理论研究单斜相（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中n型掺杂的限制因素，确定硅在铝含量高达70%时仍为可行的浅能级施主。然而，MOCVD外延生长中常见的碳和氢杂质会形成补偿性受主，尤其是Cₐ–H和Cₒ–H复合物，严重限制了自由载流子浓度，即使在低铝组分下亦如此。

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.

研究动机与目标

• 确定硅在不同铝组分的单斜相（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中作为浅能级n型掺杂剂的可行性。
• 研究MOCVD生长过程中常见杂质——碳和氢——在n型掺杂补偿中的作用。
• 评估Si、C和H缺陷在（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中的形成能、电荷态转变能级及复合物形成特性。
• 解释尽管进行了硅掺杂，实验中MOCVD生长的Ga₂O₃仍表现出低自由载流子浓度的原因。
• 为优化生长与工艺条件、抑制碳和氢引起的补偿提供理论依据。

提出的方法

• 采用混合密度泛函理论（DFT）计算单斜相（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中Si、C和H缺陷的形成能与电荷态转变能级。
• 通过在β-Ga₂O₃与θ-Al₂O₃之间的转变能级插值，估算硅在合金组分范围内的施主行为。
• 在不同化学势条件下（包括富氧与贫氧环境）计算C和H缺陷的形成能。
• 评估Si–H、C–H及C–O–H复合物的结合能，以评估其稳定性与电子效应。
• 研究氢的扩散性，以评估其在生长与退火过程中缺陷迁移与复合物形成中的作用。
• 分析关键缺陷构型的电子结构，以确定其在n型（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中的施主或受主特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅在单斜相（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中是否可在高铝组分下保持浅能级施主特性，其有效掺杂范围为何？
• RQ2 在MOCVD生长的（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中，普遍存在的碳和氢杂质如何影响n型掺杂效率？
• RQ3 C–H与Cₒ–H复合物在（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中对硅和C_Ga等浅能级施主的补偿作用是什么？
• RQ4 在n型（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中，氢和碳在何种铝组分下开始作为补偿性受主发挥作用？
• RQ5 C_cation–H与C_oxygen–H等缺陷复合物如何影响载流子浓度与掺杂控制？

主要发现

• 基于插值的（ + / 0 ）转变能级，硅在（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中可作为有效浅能级施主，直至铝含量达70%。
• 氢在Ga₂O₃中表现为浅能级施主，但在n型Al₂O₃中则转变为补偿性受主，其补偿作用在仅1%铝含量时即已开始。
• C_Ga（位于镓位的碳）在Ga₂O₃中为浅能级施主，但在（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中仅当x > 5%时才成为稳定的负电荷态施主。
• C_O（位于氧位的碳）在n型（AlₓGa₁₋ₓ）₂O₃中始终表现为受主，并在贫氧条件下易形成C_O–H复合物，其形成具有能量优势。
• C_cation–H复合物形成高结合能的受主，当x > 56%时会补偿n型掺杂；而C_O–H复合物在整个组分范围内均表现为受主。
• C_O–H复合物的形成可解释实验观察到的MOCVD生长Ga₂O₃中碳相关补偿现象，尽管碳的掺入不可避免。