通过三步合成工艺实现 Ga2O3 的计算费米能级调控与掺杂类型转换
材料科学
2021-07-28 v1
摘要
Ga2O3 正被积极研究用于高功率和高温电子器件、深紫外光电子学及其他应用。Ga2O3 的高效 n 型掺杂已实现，但 p 型掺杂由于补偿、深受主能级以及自由空穴的极化子输运机制而面临根本性障碍。然而，除实现 p 型导电外，仍存在大量机会来调控费米能级位置以改进基于 Ga2O3 的器件设计。我们使用第一性原理缺陷理论和缺陷平衡计算来模拟 beta-Ga2O3 中氢辅助 Mg 掺杂的三步生长-退火-淬火合成方案，并考虑 H2、O2 与 H2O 之间的气相平衡，其决定了 H 化学势。我们预测在 H2 存在下还原条件生长后随之进行富 O 退火，Ga2O3 掺杂类型会转换为净 p 型区间，该过程类似于 GaN 中通过去除 H 实现 Mg 受主激活。对于平衡退火，在给定 Mg 掺杂水平下存在一个使 Ga2O3 净受主密度最大化的最优温度，而在不发生再平衡的非平衡退火情形下该密度进一步增大。淬火至工作温度后，Ga2O3 费米能级降至带隙中值以下，至价带顶之上约 +1.5 eV 处，产生大量未补偿的中性 MgGa0 受主。在此掺杂类型转换（NA > ND）的 Ga2O3 材料中，费米能级降至 +1.5 eV 并抑制自由电子密度，对 Ga2O3 功率电子器件设计具有重要意义和影响。
引用
@article{arxiv.2103.16639,
title = {Computational Fermi level engineering and doping-type conversion of Ga2O3 via three-step synthesis process},
author = {Anuj Goyal and Andriy Zakutayev and Vladan Stevanović and Stephan Lany},
journal= {arXiv preprint arXiv:2103.16639},
year = {2021}
}