$$\alpha$$ の Ir 不純物

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8522 (2023) この記事を引用

562 アクセス

メトリクスの詳細

最近、酸化ガリウム (\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\)) は、広いバンドギャップ、高い絶縁破壊電界などの優れた電子特性により、最も活発に研究されている材料の 1 つとなっています。 、キャリア濃度の簡単な制御、および高い熱安定性。 これらの特性により、酸化ガリウムは高出力電子デバイスの潜在的な用途の有望な候補となっています。 \(\beta\)-\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) 結晶は、通常、イリジウム (Ir) るつぼ内でチョクラルスキー法によって成長させられます。 このため、Ir は、\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) 結晶中に意図しないドーパントとして存在することがよくあります。 この研究では、\(\beta\)-\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) における潜在的な p 型導電率に対する Ir の取り込み欠陥の影響が次の方法で研究されています。密度汎関数理論。 準安定 \(\alpha\)-\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) 相は、酸化ガリウムへのイリジウムドーピングによって引き起こされるプロセスを理解するためのモデルオブジェクトとして調査されました。ベースのシステム。 得られた結果により、\(\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}\) の電子構造に対する Ir の影響をより深く理解できるようになり、最近の実験で報告された光学遷移の解釈も可能になります。

ベータ相 (\(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\)) の酸化ガリウムは、広いバンドギャップ (4.7 ～ 4.9 eV1,2) です。半導体は近年大きな注目を集めており、最も活発に研究されている材料の一つです。 広いバンドギャップ、高い降伏電界 (8 MV/cm)、高い熱的および化学的安定性などの有望な特性により、 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_ {3}\) は、ショットキー ダイオード 5、6 や電界効果トランジスタ 7 などの高出力エレクトロニクス 3、4 のほか、ボルツマン温度計 8、ソーラー ブラインド紫外 (UV) 光検出器 4、シンチレータ 9、およびその他10． 単斜晶系 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) は、熱力学的に最も安定な結晶相です11。 準安定六方晶系 \(\alpha\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) はコランダムと構造的に似ており、バンドギャップがわずかに広い 5.1 ～ 5.3 eV12 です。 、13． この相は、さまざまな薄膜堆積プロセス (高周波 (RF) スパッタリング、ハロゲン化物気相エピタキシー (HVPE)、分子線エピタキシー (MBE)、原子層堆積 (ALD)、ミスト化学気相堆積 (ミスト CVD) などを使用して得ることができます) ))14、デバイスのパフォーマンスでは \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) を克服できる可能性があります15。

ヘテロ接合は多くのデバイス用途に必要であるため、n 型および p 型の導電性の制御が重要です。 N 型ドーピングは、Si、Sn、C、Ge 不純物を添加することで簡単に実現できます 16、17、18。 自然欠陥である酸素空孔も電子供与体として機能する可能性があります19。 Nb ドーピングは他の場所でも同様の効果を達成することが示唆されています 20。 n 型 \(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) の合成は成功しましたが、p 型ドーピングはまだ課題が残っています21。 p 型ドーピングの最も有望な候補は Mg と N ですが、誘導された欠陥レベルは比較的深い 17。 Ismam et al.22 は、p 型と n 型の両方の導電性を制御するために H 格子間原子を使用することについて議論していますが、それにもかかわらず、正孔移動度はかなり低いです。 理論的研究では、p 型の導電率を得るために N-P、Al-N、および In-N を共ドーピングすることが提案されています 23,24。 それにもかかわらず、課題はまだたくさん残っています。酸素欠損は、酸素リッチ雰囲気でのアニーリングによって解決される可能性があるとしても、提案されたアクセプタを打ち消す傾向にあり、アクセプタとしても機能する Mg 欠陥とガリウム欠損は水素によって不動態化され 19,25、そのため正孔が形成されます。酸素原子の近くに自己捕捉される26。

\(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) 結晶は、イリジウム (Ir) るつぼを使用したチョクラルスキー (CZ) 法によって成長させられます。 その結果、イリジウムは \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) に意図しないドーパントとして存在し 27、Ir ドーパントが影響を与える可能性があると推測されています。 p型導電率25． n 型 \(\beta\)-\(\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) では、Ir は Ir\(^{3+}\) に充電された状態にあります17。 Ir\(^{4+}\) の充電状態は十分に低いフェルミ準位でも可能であり、これは Mg 不純物を導入することによって達成できます 17,29。 Ritterらによって報告された計算によると、 25、Ir は八面体 \(\hbox {Ga}_\text {II}\) サイトに組み込まれます。 八面体結晶場では、Ir の 5 d 軌道が 3 つの \(t_{2g}\) の低エネルギー軌道と 2 つのより高いエネルギーの \(e_g\) 軌道に分かれます。 Ir\(^{3+}\) (\(5d^6\)) には、6 つの d 電子が 3 つの \(t_{2g}\) 軌道 (\(\uparrow \downarrow) を占めるため、電子常磁性共鳴 (EPR) 信号がありません。 \ \uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow\))30. 一方、Ir\(^{4+}\) (\(5d^5\)) はスピン状態 S=1/2 (\(\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow\ ））30．