Ir impuretés dans $$\alpha$$ - Groupe Cie., Ltd de tungstène de Shenyang

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8522 (2023) Citer cet article

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Récemment, l'oxyde de gallium ($\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$) est devenu l'un des matériaux les plus activement étudiés en raison de ses propriétés électroniques compétitives telles qu'une large bande interdite et un champ de claquage élevé. , un contrôle simple de la concentration des porteurs et une stabilité thermique élevée. Ces propriétés font de l’oxyde de gallium un candidat prometteur pour des applications potentielles dans les appareils électroniques de haute puissance. Les cristaux $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ sont généralement cultivés par la méthode Czochralski dans un creuset en iridium (Ir). Pour cette raison, Ir est souvent présent dans les cristaux $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ comme dopant involontaire. Dans ce travail, l'impact des défauts d'incorporation de Ir sur la conductivité potentielle de type p dans $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ est étudié au moyen de la théorie fonctionnelle de la densité. La phase métastable $\alpha$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ a été étudiée comme objet modèle pour comprendre les processus provoqués par le dopage à l'iridium dans l'oxyde de gallium- systèmes basés. Les résultats obtenus nous permettent de mieux comprendre l'influence de Ir sur la structure électronique de $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$, ainsi que de fournir une interprétation des transitions optiques rapportées dans des expériences récentes.

L'oxyde de gallium dans sa phase bêta ($\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$) est une large bande interdite (4,7–4,9 eV1,2) semi-conducteur qui a récemment attiré l’attention et est devenu l’un des matériaux les plus activement étudiés. Ses propriétés prometteuses telles qu'une large bande interdite, un champ de claquage élevé (8 MV/cm) et une stabilité thermique et chimique élevée font de $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_ {3}$ étant un candidat sérieux pour des applications dans l'électronique de haute puissance3,4, comme les diodes Schottky5,6 et les transistors à effet de champ7, ainsi que dans les thermomètres Boltzmann8, les photodétecteurs ultraviolets (UV) aveugles au soleil4, les scintillateurs9 et d'autres10. La monoclinique $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ est thermodynamiquement la phase cristalline la plus stable11. Un hexagonal métastable $\alpha$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ est structurellement similaire au corindon et a une bande interdite légèrement plus large de 5,1 à 5,3 eV12. ,13. Cette phase peut être obtenue en utilisant divers procédés de dépôt de couches minces (par exemple, pulvérisation radiofréquence (RF), épitaxie en phase vapeur d'halogénure (HVPE), épitaxie par jet moléculaire (MBE), dépôt de couche atomique (ALD), dépôt chimique en phase vapeur par brouillard (mist-CVD). ))14, et pourrait surmonter $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ dans les performances de l'appareil15.

Les hétérojonctions sont nécessaires pour de nombreuses applications de dispositifs, le contrôle de la conductivité de type n et p est donc important. Le dopage de type N est facilement réalisable grâce à l'ajout d'impuretés Si, Sn, C et Ge16,17,18. Les lacunes en oxygène, qui sont des défauts natifs, peuvent également agir comme donneurs d’électrons19. Il a été suggéré que le dopage au Nb produisait un effet similaire ailleurs20. Bien que le type n $\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ ait été synthétisé avec succès, le dopage de type p reste encore un défi21. Les candidats les plus prometteurs pour le dopage de type p sont le Mg et le N, bien que les niveaux de défauts induits soient relativement importants17. Ismam et al.22 discutent de l'emploi d'interstitiels H pour contrôler à la fois la conductivité p- et n-nype, néanmoins la mobilité des trous est plutôt faible. Des études théoriques proposent le co-dopage N – P, Al – N et In – N pour obtenir une conductivité de type p . Néanmoins, les défis restent nombreux : les lacunes en oxygène ont tendance à contrecarrer les accepteurs proposés, même si cela peut être résolu par un recuit dans une atmosphère riche en O, les défauts en Mg et les lacunes en gallium qui agissent également comme accepteurs sont passivés par l'hydrogène19,25, et ainsi les trous deviennent auto-piégé à proximité d’un atome d’oxygène26.

Les cristaux $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ sont cultivés par la méthode Czochralski (CZ) en utilisant un creuset en iridium (Ir)27,28. En conséquence, l'iridium est présent dans $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ en tant que dopant involontaire27 et il est supposé que le dopant Ir pourrait affecter la conductivité de type p25. Dans le type n $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ Ir est dans l'état chargé Ir$^{3+}$17. L'état chargé Ir$^{4+}$ est également possible à un niveau de Fermi suffisamment bas, ce qui peut être obtenu en introduisant des impuretés Mg17,29. Selon les calculs rapportés par Ritter et al. 25, Ir s'intègre dans le site octaédrique $\hbox {Ga}_\text {II}$. Dans le champ cristallin octaédrique, 5 orbitales d de Ir divisées en 3 $t_{2g}$ orbitales de faible énergie et 2 $e_g$ orbitales d'énergie plus élevée. Ir$^{3+}$ ($5d^6$) n'a pas de signal de résonance paramagnétique électronique (RPE) car six d électrons occupent 3 $t_{2g}$ orbitales ($\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow$)30. Ir$^{4+}$ ($5d^5$), en revanche, a un état de spin S=1/2 (\(\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow\ ))30.