Ir impurezas em $$\alpha$$ - Grupo Co. do tungstênio de Shenyang, Ltd

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8522 (2023) Citar este artigo

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Recentemente, o óxido de gálio ($\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$) tornou-se um dos materiais mais ativamente estudados devido às suas propriedades eletrônicas competitivas, como amplo bandgap, alto campo de decomposição , controle simples da concentração de transportadores e alta estabilidade térmica. Essas propriedades tornam o óxido de gálio um candidato promissor para aplicações potenciais em dispositivos eletrônicos de alta potência. Os cristais $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ são comumente cultivados pelo método Czochralski em um cadinho de irídio (Ir). Por esta razão, Ir está frequentemente presente em cristais $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ como um dopante não intencional. Neste trabalho o impacto dos defeitos de incorporação de Ir na condutividade potencial do tipo p em $\beta$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ é estudado por meio de teoria da densidade funcional. A fase metaestável $\alpha$-$\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$ foi investigada como objeto modelo para entender os processos causados pela dopagem de irídio em óxido de gálio- sistemas baseados. Os resultados obtidos permitem compreender melhor a influência do Ir na estrutura eletrônica $\text {Ga}_{2}\text {O}_{3}$, bem como fornecer interpretação para transições ópticas relatadas em experimentos recentes.

O óxido de gálio em sua fase beta ($\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$) é um amplo bandgap (4,7–4,9 eV1,2) semicondutor que recentemente atraiu atenção significativa, tornando-se um dos materiais mais ativamente estudados. Suas propriedades promissoras, como amplo bandgap, alto campo de ruptura (8 MV/cm) e alta estabilidade térmica e química fazem com que $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_ {3}$ sendo um forte candidato para aplicações em eletrônica de alta potência3,4, como diodos Schottky5,6 e transistores de efeito de campo7, bem como em termômetros Boltzmann8, fotodetectores ultravioleta (UV) cegos ao sol4, cintiladores9 e outros10. Monoclínica $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ é termodinamicamente a fase cristalina mais estável11. Um hexagonal metaestável $\alpha$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ é estruturalmente semelhante ao corindo e tem um band gap ligeiramente mais amplo de 5,1–5,3 eV12 ,13. Esta fase pode ser obtida usando vários processos de deposição de filmes finos (por exemplo, pulverização catódica por radiofrequência (RF), epitaxia em fase de vapor de haleto (HVPE), epitaxia por feixe molecular (MBE), deposição de camada atômica (ALD), deposição de vapor químico por névoa (névoa-CVD ))14, e poderia superar $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ no desempenho do dispositivo15.

As heterojunções são necessárias para muitas aplicações de dispositivos, portanto, o controle da condutividade dos tipos n e p é importante. A dopagem do tipo N é facilmente obtida através da adição de impurezas de Si, Sn, C e Ge . As vacâncias de oxigênio, que são defeitos nativos, também podem atuar como doadoras de elétrons19. Foi sugerido que o doping com Nb alcança efeito semelhante em outros lugares20. Embora o tipo n (\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}\) tenha sido sintetizado com sucesso, o doping do tipo p continua sendo um desafio21. Os candidatos mais promissores para dopagem do tipo p são Mg e N, embora os níveis de defeitos induzidos sejam relativamente profundos . Ismam et al.22 discutem o emprego de intersticiais H para controlar a condutividade p e n-nype, no entanto a mobilidade do buraco é bastante baixa. Estudos teóricos propõem a co-dopagem N – P, Al – N e In – N para obter uma condutividade do tipo p . No entanto, os desafios permanecem muitos: as vagas de oxigênio tendem a neutralizar os aceitadores propostos, embora isso possa ser resolvido pelo recozimento em atmosfera rica em O, os defeitos de Mg e as vagas de gálio que também atuam como aceitadores são passivados pelo hidrogênio , e assim os buracos tornam-se auto-preso perto de um átomo de oxigênio26.

Os cristais $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ são cultivados pelo método Czochralski (CZ) usando cadinho de irídio (Ir) . Como resultado, o irídio está presente em $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ como um dopante não intencional27 e especula-se que o dopante Ir pode afetar a condutividade tipo p25. No tipo n $\beta$-$\hbox {Ga}_{2}\hbox {O}_{3}$ Ir está no estado carregado de Ir$^{3+}$17. O estado carregado de Ir$^{4+}$ também é possível em níveis de Fermi suficientemente baixos, o que pode ser alcançado pela introdução de impurezas de Mg . De acordo com cálculos relatados por Ritter et al. 25, Ir incorpora no sítio octaédrico $\hbox {Ga}_\text {II}$. No campo de cristal octaédrico, 5 d orbitais de Ir se dividem em 3 $t_{2g}$ orbitais de baixa energia e 2 $e_g$ orbitais com maior energia. Ir$^{3+}$ ($5d^6$) não tem sinal de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) porque seis d elétrons ocupam 3 $t_{2g}$ orbitais ($\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow$)30. Ir$^{4+}$ ($5d^5$), por outro lado, tem um estado de spin S=1/2 (\(\uparrow \downarrow \ \uparrow \downarrow \ \uparrow\ ))30.