$$\alpha$$의 Ir 불순물

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8522(2023) 이 기사 인용

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최근 산화 갈륨(\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\))은 넓은 밴드갭, 높은 항복 장과 같은 경쟁력 있는 전자 특성으로 인해 가장 활발하게 연구되는 재료 중 하나가 되었습니다. , 캐리어 농도의 간단한 제어 및 높은 열 안정성. 이러한 특성으로 인해 산화갈륨은 고전력 전자 장치에 응용할 수 있는 유망한 후보가 되었습니다. \(\beta\)-\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) 결정은 일반적으로 이리듐(Ir) 도가니에서 Czochralski 방법으로 성장합니다. 이러한 이유로 Ir은 종종 \(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) 결정에 의도하지 않은 도펀트로 존재합니다. 이 연구에서는 Ir 통합 결함이 \(\beta\)-\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\)의 잠재적 p형 전도성에 미치는 영향을 다음을 통해 연구합니다. 밀도 함수 이론. 준안정 \(\alpha\)-\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) 상은 산화 갈륨에서 이리듐 도핑으로 인한 과정을 이해하기 위한 모델 개체로 조사되었습니다. 기반 시스템. 얻은 결과를 통해 우리는 \(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) 전자 구조에 대한 Ir의 영향을 더 잘 이해할 수 있을 뿐만 아니라 최근 실험에서 보고된 광학 전이에 대한 해석을 제공할 수 있습니다.

베타상(\(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\))의 산화갈륨은 넓은 밴드갭(4.7–4.9 eV1,2)입니다. 최근 주목받고 있는 반도체는 가장 활발하게 연구되고 있는 소재 중 하나이다. 넓은 밴드갭, 높은 항복 전계(8 MV/cm), 높은 열 및 화학적 안정성과 같은 유망한 특성으로 인해 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_ {3}\) 쇼트키 다이오드5,6 및 전계 효과 트랜지스터7뿐만 아니라 볼츠만 온도계8, 태양광 차단 자외선(UV) 광검출기4, 섬광체9 등 고전력 전자 장치3,4에 응용할 수 있는 강력한 후보입니다. 기타10. 단사정계 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\)는 열역학적으로 가장 안정적인 결정상입니다11. 준안정 육각형 \(\alpha\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\)은 구조적으로 커런덤과 유사하며 밴드 갭이 5.1–5.3 eV12로 약간 더 넓습니다. ,13. 이 상은 다양한 박막 증착 공정(예: 무선 주파수(RF) 스퍼터링, 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE), 분자빔 에피택시(MBE), 원자층 증착(ALD), 미스트 화학 기상 증착(mist-CVD))을 사용하여 얻을 수 있습니다. ))14, 장치 성능에서 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\)를 극복할 수 있었습니다15.

이종접합은 많은 장치 응용에 필요하므로 n형 및 p형 전도성을 제어하는 ​​것이 중요합니다. N형 도핑은 Si, Sn, C 및 Ge 불순물을 추가하여 쉽게 달성할 수 있습니다. 기본 결함인 산소 공석은 전자 기증자 역할을 할 수도 있습니다. Nb 도핑은 다른 곳에서도 비슷한 효과를 얻기 위해 제안되었습니다. n형 \(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\)이 성공적으로 합성되었지만 p형 도핑은 여전히 ​​과제로 남아 있습니다21. p형 도핑에 대한 가장 유망한 후보는 Mg와 N이지만, 유도된 결함 수준은 상대적으로 깊습니다. Ismam et al.22는 p형 및 n형 전도성을 모두 제어하기 위해 H형 침입형을 사용하는 것에 대해 논의하고 있지만 그럼에도 불구하고 정공 이동성은 다소 낮습니다. 이론적 연구에서는 p형 전도성을 얻기 위해 N-P, Al-N 및 In-N 공동 도핑을 제안합니다. 그럼에도 불구하고, 과제는 여전히 많이 남아 있습니다. O가 풍부한 분위기에서 어닐링으로 해결될 수 있더라도 산소 결손은 제안된 수용체에 대응하는 경향이 있습니다. 억셉터 역할도 하는 Mg 결함 및 갈륨 결손은 수소에 의해 부동태화되어 정공이 산소 원자 근처에 자가 갇힌 상태입니다26.

\(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) 결정은 이리듐(Ir) 도가니를 사용하여 Czochralski(CZ) 방법으로 성장합니다. 결과적으로 이리듐은 의도하지 않은 도펀트로 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\)에 존재하며27 Ir 도펀트가 영향을 미칠 수 있다고 추측됩니다. p형 전도도25. n형 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) Ir은 Ir\(^{3+}\) 충전 상태에 있습니다17. Ir\(^{4+}\) 충전 상태는 충분히 낮은 페르미 준위에서도 가능하며, 이는 Mg 불순물17,29을 도입하여 달성할 수 있습니다. Ritter et al.이 보고한 계산에 따르면. 25, Ir은 팔면체 \(\hbox {Ga}_\text {II}\) 사이트에 통합됩니다. 팔면체 결정장에서 Ir의 5d 오비탈은 3\(t_{2g}\) 낮은 에너지 오비탈과 2 \(e_g\) 더 높은 에너지 오비탈로 분할됩니다. Ir\(^{3+}\) (\(5d^6\))에는 6개의 d 전자가 3 \(t_{2g}\) 오비탈(\(\uparrow \downarrow)을 차지하기 때문에 전자 상자성 공명(EPR) 신호가 없습니다. \ \위 화살표 \아래 화살표 \ \위 화살표 \아래 화살표\))30. 반면 Ir\(^{4+}\) (\(5d^5\))는 스핀 상태 S=1/2(\(\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow\ ))30.