Ir impurità in $$\alpha$$ - Shenyang Tungsten Group Co., Ltd

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8522 (2023) Citare questo articolo

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Recentemente l'ossido di gallio ($\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$) è diventato uno dei materiali più attivamente studiati grazie alle sue proprietà elettroniche competitive come l'ampio gap di banda e l'elevato campo di degradazione , controllo semplice della concentrazione del portatore ed elevata stabilità termica. Queste proprietà rendono l’ossido di gallio un candidato promettente per potenziali applicazioni nei dispositivi elettronici ad alta potenza. I cristalli $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ vengono comunemente coltivati con il metodo Czochralski in un crogiolo di iridio (Ir). Per questo motivo l'Ir è spesso presente nei cristalli $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ come drogante involontario. In questo lavoro viene studiato l'impatto dei difetti di incorporazione di Ir sulla potenziale conduttività di tipo p in $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ mediante teoria del funzionale della densità. La fase metastabile $\alpha$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ è stata studiata come oggetto modello per comprendere i processi causati dal drogaggio con iridio nell'ossido di gallio- sistemi basati. I risultati ottenuti ci permettono di comprendere meglio l'influenza di Ir sulla struttura elettronica $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$, oltre a fornire un'interpretazione per le transizioni ottiche riportate in recenti esperimenti.

L'ossido di gallio nella sua fase beta ($\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$) ha un ampio bandgap (4,7–4,9 eV1,2) semiconduttore che ha recentemente attirato molta attenzione diventando uno dei materiali più attivamente studiati. Le sue proprietà promettenti, come l'ampio gap di banda, l'elevato campo di rottura (8 MV/cm) e l'elevata stabilità termica e chimica, rendono $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_ {3}$ essendo un forte candidato per applicazioni nell'elettronica ad alta potenza3,4, come i diodi Schottky5,6 e i transistor ad effetto di campo7, nonché nei termometri Boltzmann8, nei fotorilevatori ultravioletti (UV) oscuranti4, negli scintillatori9 e altri10. La fase monoclina $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ è termodinamicamente la fase cristallina più stabile11. Un esagonale metastabile $\alpha$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ è strutturalmente simile al corindone e ha una banda proibita leggermente più ampia di 5,1–5,3 eV12 ,13. Questa fase può essere ottenuta utilizzando vari processi di deposizione di film sottili (ad esempio sputtering a radiofrequenza (RF), epitassia in fase vapore di alogenuri (HVPE), epitassia a fascio molecolare (MBE), deposizione di strati atomici (ALD), deposizione di vapori chimici di nebbia (mist-CVD) ))14 e potrebbe superare $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ in termini di prestazioni del dispositivo15.

Le eterogiunzioni sono necessarie per molte applicazioni di dispositivi, quindi il controllo della conduttività di tipo n e p è importante. Il drogaggio di tipo N è facilmente ottenibile mediante l'aggiunta di impurità di Si, Sn, C e Ge16,17,18. I posti vacanti di ossigeno, che sono difetti nativi, possono anche agire come donatori di elettroni19. È stato suggerito che il doping Nb possa ottenere effetti simili altrove20. Mentre il tipo n $\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ è stato sintetizzato con successo, il doping di tipo p rimane ancora una sfida21. I candidati più promettenti per il doping di tipo p sono Mg e N, sebbene i livelli di difetti indotti siano relativamente profondi17. Ismam et al.22 discutono l'impiego di H-interstitial per controllare la conduttività sia p che n-nype, tuttavia la mobilità dei buchi è piuttosto bassa. Studi teorici propongono il co-drogaggio N–P, Al–N e In–N per ottenere una conduttività di tipo p23,24. Tuttavia, le sfide rimangono numerose: i posti vacanti di ossigeno tendono a contrastare gli accettori proposti, anche se questo può essere risolto mediante ricottura in atmosfera ricca di O, i difetti di Mg e i posti vacanti di gallio che agiscono anche come accettori vengono passivati dall'idrogeno19,25, e quindi i buchi diventano auto-intrappolato vicino a un atomo di ossigeno26.

I cristalli $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ vengono coltivati con il metodo Czochralski (CZ) utilizzando un crogiolo di iridio (Ir)27,28. Di conseguenza, l'iridio è presente in $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ come drogante involontario27 e si ipotizza che il drogante Ir possa influenzare la conduttività di tipo p25. Nel tipo n $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ Ir è nello stato carico Ir$^{3+}$17. Lo stato carico Ir$^{4+}$ è possibile anche a un livello di Fermi sufficientemente basso, che può essere ottenuto introducendo impurità di Mg17,29. Secondo i calcoli riportati da Ritter et al. 25, Ir si incorpora nel sito ottaedrico $\hbox {Ga}_\text {II}$. Nel campo cristallino ottaedrico, gli orbitali 5 d di Ir si dividono in 3 orbitali $t_{2g}$ a bassa energia e 2 orbitali $e_g$ ad energia superiore. Ir$^{3+}$ ($5d^6$) non ha segnale di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) perché sei elettroni d occupano 3 $t_{2g}$ orbitali ($\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow$)30. Ir$^{4+}$ ($5d^5$), invece, ha uno stato di spin S=1/2 (\(\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow\ ))30.