硅在 GaN 中的扩散受限：基于 DFT 研究及实验验证
材料科学
2026-05-21 v1 计算物理
摘要
硅（Si）是砷化镱(GaN)中主要的掺杂源，通常通过生长或离子植入方式引入。然而，对 Si 扩散的精确控制仍是高性能器件应用中的关键挑战。本研究利用首 principles 密度泛函理论（DFT）计算研究了 Si 在 bulk GaN 中的扩散机制，并得到 ultra-high-pressure annealing（UHPA）实验的支持。通过 SIESTA 代码分析了空位介导的扩散路径，利用 nudged elastic band（NEB）方法确定了最小能量路径（MEP）和活化能。结果表明，Si 扩散活化能随晶向不同而变，其中 [11-20] 方向的活化能最低，为 3.2 eV；[1-100] 方向的活化能最高，约为 9.9 eV，故该方向的扩散高度不太可能。另一些扩散机制，包括直接置换和环形迁移，活化能均超过 12 eV，难以实现。声子计算表明，温度对有效扩散活化能的降低作用有限。实验验证通过 SIMS 分析 Si 掺杂的 GaN 样品经 UHPA（1450{\deg}C，1 GPa）处理后，确认在极端条件下 Si 扩散几乎可以忽略不计。这一发现解决了先前报告中的不一致问题，确立了 Si 掺杂的 GaN 高度稳定，为先进的电子和光电器件应用提供可靠的掺杂配置保障。
引用
@article{arxiv.2503.21382,
title = {Limited Diffusion of Silicon in GaN: A DFT Study Supported by Experimental Evidence},
author = {Karol Kawka and Pawel Kempisty and Akira Kusaba and Krzysztof Golyga and Karol Pozyczka and Michal Fijalkowski and Michal Bockowski},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.21382},
year = {2026}
}