闪锌矿GaN有望实现高空穴浓度

伊利诺伊大学团队揭示了闪锌矿三族氮化物研究的光明前景，特别是双极性器件的研究

 

在GaN材料中实现高n型和p型掺杂对于提高固态照明和射频/功率电子器件的效率和功率至关重要。GaN的掺杂性取决于掺杂物的组成，活化和自补偿，依赖于掺杂物与GaN之间的键合性质。

 

GaN有纤锌矿( wz - )和闪锌矿( zb - )相。由于wz-GaN的稳定性和目前的工业适应性，关于n型和p型掺杂的认识大多是在wz- GaN上发展起来的。

 

如今，wz-GaN的p型掺杂及其合金仍然具有挑战性，特别是对于达到高空穴浓度（>1019 cm-3）。限制p型掺杂的主要因素是普通受主的大激活能（例如Mg的活化能约为250 meV）。与施主的低激活能(<30 meV)相比，这种电子和空穴浓度的不对称性限制了GaN光电(如LED、激光二极管)和电子设备(如射频/功率晶体管)的性能。

 

Cam Bayram是创新型 实验室（ICORLAB）的电气和计算机工程副教授，在他的带领下，伊利诺伊大学的研究人员利用第一性原理计算研究了Si、Ge、C、Be和Mg对wz-和zb- GaN的构成、激活和自补偿，并发表在Computational Materials Science 190 (2021) 110283期刊中。

 

实验结果表明，对称性不仅对激活能有影响，而且对形成能和自补偿效应也有影响。特别是Mg激活能降低至153meV时，振动分析表明Mg i补偿施主相比于wz - GaN更不容易在zb -中形成，因为zb - GaN中间隙位对称性越高，振动熵越小。作者估计在闪锌矿GaN中可以实现4倍以上的空穴浓度。这些结果为zb-Ⅲ-氮化物的研究，特别是双极器件的研究提供了光明的前景。

 

上图分别为wz-Ga N (左)和zb-Ga N (右)中MgGa(受主)和Mgi (双施主)的形成能，参考线突出显示了激活能( EA )。

 

参考文献：

 

'Mitigate Self-Compensation with High Crystal Symmetry: A First-Principles Study of Formation and Activation of Impurities in GaN' by Y.-C. Tsai and C. Bayram; Computational Materials Science 190 (2021) 110283.