ワイドギャップ半導体β-Ga2O3のドーパント存在サイト同定・電子状態評価(C0560)

ミクロな原子構造を計算シミュレーションによって評価可能

MST技術資料No.C0560
掲載日2019/04/04
測定法・加工法計算科学・データ解析
製品分野パワーデバイス
酸化物半導体
分析目的化学結合状態評価
構造評価
その他

概要

β-Ga2O3は広いバンドギャップを有し、優れた送電効率や低コスト化の面で次世代パワーデバイスや酸化物半導体の材料として期待されています。近年、β-Ga2O3はSiまたはSnのドーピングでn型化することが報告されています。本資料では、β-Ga2O3にSiもしくはSnをドープしたモデルに対して構造最適化計算を実施し、各ドーパントが結晶中でどのサイトを占有しやすいかを評価しました。続いて、得られた構造モデルから状態密度を計算し、ドーピングによる電子状態の変化を調査しました。

データ

β-Ga2O3構造

β-Ga2O3の構造を下図に示します。Gaの存在するサイトは、周囲のO原子が作る四面体の中心にあるサイト:Ga(1)と、周囲のO原子が作る八面体の中心にあるサイト:Ga(2)の2種類が存在します。

Si,Snドープ時の構造最適化

2種類存在するGaのサイトに対し、SiもしくはSnを置換したモデルを作成し、構造最適化計算を実施することで各ドーパント元素の存在サイトの同定を行いました。

構造最適化後の安定化エネルギー
ドーパント Si Sn
サイト Ga(1) Ga(2) Ga(1) Ga(2)
エネルギー[eV/unit cell] -22037.853 -22037.667 -22058.017 -22058.224
  • ドープされたSiはGa(1)サイト(4配位)の位置で安定化します。
  • ドープされたSnはGa(2)サイト(6配位)の位置で安定化します。
構造最適化後のドーパント周囲の構造
サイト Ga(1) Ga(2)
ドーパント - Si - Sn
平均結合距離[Å] 1.867 1.699 2.028 2.077
結合距離標準偏差 0.016 0.007 0.063 0.036
多面体体積[Å3] 3.306 2.480 10.863 11.731
  • SiはGa(1)サイトへ置換することで、四面体の歪みを小さくし、O原子との結合距離を短くします。
  • SnはGa(2)サイトへ置換することで、八面体の歪みを小さくし、O原子との結合距離を長くします。

VESTA(https://jp-minerals.org/vesta/jp/)を利用

状態密度

β-Ga2O3及びSi、Snドープβ-Ga2O3の状態密度(DOS)、部分状態密度(PDOS)を求めました。

計算結果
ドーパント - Si Sn
サイト - Ga(1) Ga(2)
VBM[eV] -0.8 -5.2 -5.1
VBMを構成する主な軌道 O 2p O 2p O 2p
CBM[eV] 3.6 -0.8 -0.8
CBMを構成する主な軌道 Ga 4s Ga 4s Ga 4s
Sn 5s
バンドギャップ[eV] 4.4 4.4 4.3
光学ギャップ[eV] 4.4 5.2 5.1
  • Si、Snをドーパントとしたとき、いずれもフェルミ準位が伝導帯下端(CBM)に位置し、n型化が確認されました。
    また、いずれのドーパントにおいても光学ギャップが広がることが確認されました。

ポイント

  • 実験が難しいナノスケールの現象を、計算シミュレーションから評価が可能

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