ドーパントとALNの補償に関する研究

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主なN型ALN候補ドーパントは酸素（O）とシリコン（SI）であり、P型ALNの場合、それらはマグネシウム（MG）とベリリウム（BE）です。これまでのところ、MGとOドーピングの成功率は非常に低かった。ただし、Oは、MgとBEの両方にとって重要な補償不純物です。ドーパントとAL自体が酸素を吸収する傾向があるためです。 ALNのドーピングを理解するには、窒素空孔（VN）とアルミニウム空孔（VAL）とそれらに関連する複合体の役割を理解する必要があります。欠陥と不純物の化学、および非平衡ドーピング方法の現在の理解は、現在の技術的制限を克服するための有望なアプローチと見なされます。

1.DあるいはDAlN の動作:Sアイコン

N型ALNの場合、シリコンは、図1に示すように、その原子半径がALの原子に非常に近いため、最適な理論的陽イオンドナーです。シリコンはGANの浅いドナーであり、AL含有量が増加したALGANの約17 MEVの活性化エネルギーEDを備えていますが、AL0.85GA0.15Nの24 MEVからAL0.96GA0.04Nの211 MEVに増加します。シリコンは、ALNの代替不純物として、最も近い隣接する基底平面N結合で6％の理論的収縮を引き起こします。これは、Si-N C軸結合が伸びられる3つの基底結合に近い、シリコン格子の位置の減少を示しています。シリコンが二次電子をキャプチャし、幾何学的再配列を受けると、図1に示すように、3つの基底位置でのSi-N結合の2％収縮とC軸SI-N結合破裂を含むDXセンターが形成され、浅いレベルから深いレベルの状態に遷移します。ストレスが壊れているC軸Si-N結合が壊れると、補償された深い状態が生成されます。このような補償欠陥の存在にもかかわらず、近くの表面領域でのイオン移植を介したALNのn型ドーピングは、有望な結果を示しています。ただし、補償されていないMOCVD ALN薄膜のN型ドーピングでは、最大10の再現可能な電子濃度のみ¹⁵CM^-3表示されます。これは、デバイス内の高ドリフトフィールド領域にのみ適用できます。

図1（a）mgの位置と相対サイズ（比例）とalnのアクセプターBE

図1（a）mgの位置と相対サイズ（比例して）ALNのアクセプター、（b）SiドナーとDXによって再配置されたSi不純物、および（c）酸素およびDX再配置に置き換えられた酸素欠陥の位置と相対サイズ（比例）

1つのテクノロジーがドーピングの実現可能性を示しているが、別のテクノロジーではそうではないことを考えると、シリコン自体は問題になりません。非平衡および低温MBEがALNのN型ドーピングに寄与するという仮説は、次の2つのポイントに基づいています。

1）低温を使用する場合、最小熱膨張が達成されるため、最小追加のC軸Si-N結合伸長が望ましい。

2）AL空孔SI複合体の金属濃縮条件を最小化すると、これらの複合体はAL空孔O複合体と同様の挙動を示し、高SIドーピングレベルでのドナードーピングの自己補償につながります。

このSi自己補償は、VALによって引き起こされる格子軟化によるものであるため、C軸Si-N結合を破壊し、したがって補償されたSi-DXセンターを形成することが容易になると推測されています。 oと同様に、電荷の中立性のため、val-xsial複合体も考慮する必要があります。ここで、xは整数です。したがって、非平衡、低温、および金属濃縮MBEを主張することは、ALNのn型ドーピングにとって非常に価値があります。

2. アクセプターDAlN の動作:Mg、あります、および C

P型ALNの場合、アニオン置換炭素（C）やカチオン置換BEなどのアクセプターが実行可能であると見なされます。希釈限界に近づくと、孤立したアクセプターエネルギーは、これらの受容体が深部レベル受容体と見なされ、MGの理論的に報告された単一の値アクセプター活性化エネルギーがそれぞれ510〜630 MEVと220〜340 MEVの範囲であることが発生します。これらの大きな活性化エネルギーを減らすために不純物バンドを形成する能力がない場合、有意な細孔濃度は予想されません。

ただし、GANの高ドーピング濃度でのBohr軌道のオーバーラップで示されるように、MGの有効な活性化エネルギーは約210 MEVから約50 MEVに減少し、1 x 10の細孔濃度が生じる可能性があります。²⁰CM^-3。これはまた、最大約60％ALのAlganに効果的であることが証明されており、トンネルダイオードが実証されています。

約10の細孔濃度は別として¹⁰cm^-3、MGはALNのドーピングに正常に使用されていません。使用した最近の結果は、約3 x 10の室温孔濃度を取得するために¹⁸CM^-3（ここでは約4.4 x 10として報告されています¹⁸CM^-3）および約37 MEVの効果的な活性化エネルギーは、活性化エネルギーの減少を達成できることを示しています。

窒化ガリウム（GAN）、窒化アルミニウム（ALN）、および窒化インジウム（INN）の相対誘電率は、それぞれ8.9、8.5、および15.3です。報告された有効な重穴の質量は、それぞれ0.8mo、3.53ヶ月、および1.63moです。これは、Gan、Aln、およびInnのアクセプターバンドによって形成されたモット臨界濃度が約4×10であることを意味します。¹⁹cm^-3、4×10²¹cm^-3、6.5×10¹⁹CM^-3、それぞれ。この単純化された近似は、GANの金属変調エピタキシー（MME）実験のドーピング結果とよく一致しています。¹⁹CM^-3日常的に達成できます。同様に、これらの予測は、ALNとINNが縮退したP型ドーピングを受けるのがより困難であることを示しており、それぞれが不純物バンドを形成するためにより高いドーピング濃度を必要とします。

ALNの場合、現在の実験結果に反して、不純物帯を形成するために必要な高ドーピング濃度を達成することは最初は不可能と見なされる可能性があります。ただし、分割バンドが実際にはホールバンドとライトホールバンドよりも高いALNのユニークな価数バンド構造を考慮する必要があり（図2を参照）、高い異方性を持っています。 D軌道電子が不足しているため、結晶磁場分裂エネルギーの兆候はGanの兆候とは反対です。バンドを分割すると、より大きな曲率が示され、エネルギーの点でより広い範囲の重い穴のある穴のバンドにあります。図2は、この効果を考慮した密度官能理論（DFT）計算を示しています。密度汎関数理論（DFT）によって計算された有効質量は、平行成分で3.66mo、垂直成分で0.24moであり、4.3×10のモット臨界濃度をもたらします²¹CM^-3および1.2×10¹⁸CM^-3、それぞれ。モット臨界濃度の上限と下限は、ALNバンド構造の独自性を考慮すると、ALNの不純物バンドの形成を予測することが可能であり、Ganよりも高い穴の移動度につながり、Pチャネルおよび双極ALNデバイスに希望をもたらす可能性があることを強調するために与えられます。

図2（a）ストレスのないALN価数帯の線形軌道の密度官能性電子分散

図2（a）ストレスのないALN価数帯（スピンフリー）の線形軌道（M、γ、ブリアンゾーン内の対称点）の線形軌道の密度官能電子分散。この地域の中心では、バンド状態を分割しているγv1は一重節の縮退であり、重い穴と軽い穴の状態γv6は二重に縮退しています。（b）k⊥方向に沿ったストレスのないウルツァイトalnとganの定性的電子分散。 GANとは異なり、ALNで最高の価数帯は解離帯であり、より小さな有効質量を示します。スピン軌道相互作用の導入は、地域センターの重い薄ホールバンドの縮退を緩和し、単一の縮退状態γVの出現をもたらします。 17、γv9およびγV; 27。

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