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Investigation of native defects and impurities in X-N (X = Al, Ga, In)
Computational Materials Science ( IF 3.3 ) Pub Date : 2021-02-01 , DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.110169 Yingjie Chen , Liyuan Wu , Dan Liang , Pengfei Lu , Jianjun Wang , Jun Chen , Huawei Cao , Lihong Han
Computational Materials Science ( IF 3.3 ) Pub Date : 2021-02-01 , DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.110169 Yingjie Chen , Liyuan Wu , Dan Liang , Pengfei Lu , Jianjun Wang , Jun Chen , Huawei Cao , Lihong Han
Abstract Defects have a decisive influence on the performance of III-V devices. In this paper, we systematically investigated the native point defects and impurities in group III nitride semiconductors X-N (X = Al, Ga, In) using density functional theory calculations. We studied the geometric and mechanical properties of these nitrides first, the bulk moduli were calculated and analyzed. Then by considering both anion-rich and cation-rich conditions, formation energies and corresponding thermodynamic charge transition levels of these defects were presented. Specifically, our results indicate the elastic stiffness is reduced with the introduction of defects. The nitrogen antisite, the magnesium-nitrogen substitution, and oxygen-X (X = Al, Ga, In) substitution have the most significant decrease in the bulk moduli, which are consistent with their formation energies. For native defects, the nitrogen vacancies are the most stable ones, but still are energetically unfavorable for the experimentally detected n-type conductivity of these nitrides. Interstitials and antisite defects are uneasy to be formed in n-type situations, but they could act as acceptors in p-type nitrides. For magnesium and oxygen impurities, our results have shown that the magnesium usually acts as p-type dopants, and the incorporated oxygen impurities could be the reason for the experimentally detected n-type conductivity. By studying and understanding the properties of these defects and impurities, we address new possibilities for designing and performance improvement of the group III nitride devices.
中文翻译:
研究 XN (X = Al、Ga、In) 中的天然缺陷和杂质
摘要 缺陷对 III-V 族器件的性能具有决定性影响。在本文中,我们使用密度泛函理论计算系统地研究了 III 族氮化物半导体 XN (X = Al、Ga、In) 中的本征点缺陷和杂质。我们首先研究了这些氮化物的几何和机械性能,计算并分析了体积模量。然后通过考虑富阴离子和富阳离子条件,提出了这些缺陷的形成能和相应的热力学电荷跃迁能级。具体来说,我们的结果表明弹性刚度随着缺陷的引入而降低。氮反位、镁-氮取代和氧-X(X = Al、Ga、In)取代的体积模量下降最显着,这与它们的形成能一致。对于天然缺陷,氮空位是最稳定的,但对于这些氮化物的实验检测到的 n 型导电性仍然在能量上不利。在 n 型情况下不易形成间隙和反位缺陷,但它们可以作为 p 型氮化物的受主。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但对于这些氮化物的实验检测到的 n 型电导率而言,仍然在能量上不利。在 n 型情况下不易形成间隙和反位缺陷,但它们可以作为 p 型氮化物的受主。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但对于这些氮化物的实验检测到的 n 型电导率而言,仍然在能量上不利。在 n 型情况下不易形成间隙和反位缺陷,但它们可以作为 p 型氮化物的受主。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但它们可以作为 p 型氮化物的受体。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但它们可以作为 p 型氮化物的受体。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。
更新日期:2021-02-01
中文翻译:
研究 XN (X = Al、Ga、In) 中的天然缺陷和杂质
摘要 缺陷对 III-V 族器件的性能具有决定性影响。在本文中,我们使用密度泛函理论计算系统地研究了 III 族氮化物半导体 XN (X = Al、Ga、In) 中的本征点缺陷和杂质。我们首先研究了这些氮化物的几何和机械性能,计算并分析了体积模量。然后通过考虑富阴离子和富阳离子条件,提出了这些缺陷的形成能和相应的热力学电荷跃迁能级。具体来说,我们的结果表明弹性刚度随着缺陷的引入而降低。氮反位、镁-氮取代和氧-X(X = Al、Ga、In)取代的体积模量下降最显着,这与它们的形成能一致。对于天然缺陷,氮空位是最稳定的,但对于这些氮化物的实验检测到的 n 型导电性仍然在能量上不利。在 n 型情况下不易形成间隙和反位缺陷,但它们可以作为 p 型氮化物的受主。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但对于这些氮化物的实验检测到的 n 型电导率而言,仍然在能量上不利。在 n 型情况下不易形成间隙和反位缺陷,但它们可以作为 p 型氮化物的受主。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但对于这些氮化物的实验检测到的 n 型电导率而言,仍然在能量上不利。在 n 型情况下不易形成间隙和反位缺陷,但它们可以作为 p 型氮化物的受主。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但它们可以作为 p 型氮化物的受体。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。但它们可以作为 p 型氮化物的受体。对于镁和氧杂质,我们的结果表明,镁通常充当 p 型掺杂剂,掺入的氧杂质可能是实验检测到的 n 型导电性的原因。通过研究和理解这些缺陷和杂质的特性,我们为 III 族氮化物器件的设计和性能改进提供了新的可能性。