Mg掺杂GaN中点缺陷导致的自补偿效应

使用杂化密度泛函理论，我们研究了在GaN的Mg掺杂过程中易于引起电荷补偿的点缺陷。我们确定了氮空位以及若干Mg相关缺陷的形成自由能。在准谐近似下确定了作为温度函数的熵贡献。我们发现，在p型条件下，Mg间隙原子显示出比替代Ga位的Mg明显更低的形成自由能。因此，Mg杂质是两性的：当替代Ga时表现为受主，而当位于间隙位置时表现为双施主。随后，通过求解由杂质主导的半导体的电中性方程，将杂化泛函结果联系到实验观测。我们表明，由于氮空位和Mg间隙原子作为补偿施主的作用，热力学平衡模型无法解释实验空穴浓度随Mg掺杂密度的变化。为了解释实验结果（包括高空穴浓度在高Mg密度下的下降），我们因而求助于非平衡模型。我们表明，氮空位或Mg间隙原子都可能是自补偿机制的起源。然而，只有基于间隙Mg施主的模型提供了一个自然机制来解释自补偿的突然出现。实际上，Mg杂质的两性性质导致费米能级钉扎，并解释了在高Mg掺杂下观察到的GaN样品空穴浓度的下降。我们的工作表明，当前GaN的p型掺杂限制可以通过在生长过程中外源地控制费米能量来克服。