$\beta$-Ga2O3 点缺陷的定量建模：结合混合函数能量与半导体和过程热力学
材料科学
2025-05-20 v1
摘要
-镓氧化物 (B-Ga2O3) 因其独特的熔融生长、 epitaxial 生长、n型掺杂、超宽带隙和高临界场的组合而备受青睐，适用于电力器件。优化晶体生长工艺以促进有益缺陷并抑制有害缺陷，需要对原生缺陷和杂质缺陷进行准确的定量建模。本文我们定量建模了缺陷浓度随 bulk 晶体生长条件的变化，并展示了在基于由密度泛函理论 (DFT) 采用混合函数计算的缺陷形成能基础上，不包括诸如带隙温度依赖性、化学势来自热力学以及缺陷振动熵等效应时，会导致巨大的误差和误导性预测，例如认为 n型掺杂将完全被 Ga 空位补偿。包括这些效应后，我们成功复现了实验事实，即 melt 生长的 Sn 掺杂 B-Ga2O3 晶体导电且补偿小，而在 O2 中进行中间温度退火则使其绝缠。为实现此建模，我们开发了基于计算缺陷形成能和灵活热力学条件的综合建模框架 (KROGER)。这些能力使 KROGER 能够捕捉在特定半导体生长或制造工艺中发生的 full 和 partial 缺陷平衡。我们使用 KROGER 对 873 个电荷态的 259 个缺陷进行建模，涉及 19 个元素，代表了通过 edge-fed growth (EFG) 和 O2 退火等条件。我们的 методology 可被广泛应用于 B-Ga2O3 之外的各种材料。点缺陷的热力学和 first-principles 建模的集成为优化点缺陷在生长和加工中的 population 提供了见解。
引用
@article{arxiv.2501.17373,
title = {Quantitative Modeling of Point Defects in $\beta$-Ga2O3 Combining Hybrid Functional Energetics with Semiconductor and Processes Thermodynamics},
author = {Khandakar Aaditta Arnab and Megan Stephens and Isaac Maxfield and Channyung Lee and Elif Ertekin and Ymir K. Frodason and Joel B. Varley and Michael A. Scarpulla},
journal= {arXiv preprint arXiv:2501.17373},
year = {2025}
}
备注
39 pages, 6 figures, references