Material design for improving p-type conductivity of GaN systems by first-principles method

Abstract

GaN 에피층의 제조 과정에서 자발적으로 생성되는 n-type 전기전도도의 원인 및 생성된 n-type 전기전도도를 상쇄시킨 후 ptype 전기전도도로 전이시키기 위한 적절한 방법을 제시하고자 제일원리 계산이 수행되었다. 먼저, GaN 계의 벌크 특성을 고찰하기 위해 내부 결함으로 질소 공공 및 갈륨 공공이 제시되었으며, 각각의 공공에 대하여 생성 위치 및 농도 변화에 따른 특성 변화를 고찰하였다. Ga-rich 의 성장 조건에서 질소 공공은 갈륨 공공보다 5.56 eV 생성에너지 차이만큼 더 선호되었다. 또, 질소 공공과 갈륨 공공이 동시에 존재하는 경우는 공공의 생성위치에 따른 의존성이 매우 크며, 서로 인접한 위치의 질소공공과 갈륨 공공이 떨어진 위치의 질소 공공과 갈륨 공공 생성보다 1.73 eV 만큼 더 용이함을 생성에너지를 통하여 알 수 있었다. 계산된 density of states 를 통하여 GaN 벌크의 전자 구조를 분석하였다. 결함이 없는 GaN 벌크는 전자에 의해 완전히 채워진 질소 p 오비탈 과 질소 d 오비탈로 가전자대가 구성 되었으며, 전도대는 채워지지 않은 갈륨 s 오비탈과 질소 s 오비탈로 구성되었다. 이런 결과를 기초로 하여 결함이 없는 GaN 벌크에 인위적으로 질소 공공과 갈륨 공공을 생성시켰다. 질소 공공에 의해 결함 없는 GaN 벌크는 n-type 전기전도도로 전이되는 것을 페르미레벌 위치를 통하여 확인되었다. 이와는 반대로 갈륨 공공은 결함 없는 GaN 벌크를 p-type 전기전도도 특성으로 전이시켰다. 특히, 질소 공공과 갈륨 공공이 동시에 존재하는 경우는 결함 없는 GaN 벌크를 p-type 전기전도도로 전이시켰다. 자발적으로 생성된 n-type 전기전도도의 모델링을 위하여 GaN 벌크를 세가지로 분류하였다. 수소에 의해 질소자리가 치환된 H_(N)GaN계, 산소에 의해 질소자리가 치환된 O_(N)-GaN, 질소자리에 질소가 빠진 V_(N)-GaN 계 등이다. 각각의 생성된 n-type GaN 벌크에 대해 엑섭터 원소를 첨가함으로써 구조적 특성 및 전자적 특성을 고찰하였다. 먼저 구조적 특성으로 갈륨 자리에 치환된 베릴륨 원소는 V_(N)-GaN 계와 O_(N)-GaN 계에서 도핑 농도에 따라 큰 의존성을 보여주었다. 반면에 아연과 마그네슘이 치환된 H_(N)-GaN 벌크에서는 도핑된 농도에 크게 의존하지 않고, 안정한 상으로 유지됨을 생성에너지를 통하여 알 수 있다. 특히, V_(N)-GaN 계에서 갈륨 자리에 치환된 베릴륨 원소는 갈륨 원소에 비해 공유결합 반지름이 매우 작음에도 불구하고 쉽게 결합하였다. 이러한 결과의 원인으로는 Be₃N₂ 화합물이 -7.64 eV 의 낮은 생성 엔탈피를 갖기 때문인 것으로 생각된다. 모델화된 n-type GaN 벌크에서 엑섭터 원소의 종류 및 농도에 대한 전자적 영향을 density of states 구한 후 페르미 레벌 위치 변동을 계산함으로써 고찰되었다. H_(N)-GaN 계에서는 갈륨 자리에 하나의 엑섭터 원소 치환으로는 p-type 전기전도도를 구현하지 못하지만 두 개의 엑섭터 원소 치환으로 p-type 전기전도도를 구현하였다. 이와는 달리, V_(N)-GaN 계, O_(N)-GaN 계에서는 하나의 엑섭터 원소 치환만으로도 n-type 전기전도도를 p-type 전기전도도로 전환할 수 있었다. 즉, V_(N)-GaN 계, O_(N)-GaN 계에서 n-type 전기전도도 특성은 엑섭터 원소의 p 오비탈에 의해 쉽게 상쇄되는 것을 알 수 있었다. 결론적으로, 모델화된 세 종류의 n-type 전기전도도 특성을 가진 GaN 벌크 계에서, p-type 전기전도도를 증진하기 위한 최적의 엑섭터 원소로서 H_(N)-GaN 계에서는 아연 원소 치환, V_(N)-GaN계에서는 베릴륨 원소 치환, O_(N)-GaN 계에서는 마그네슘 원소 치환이 제시되었다.; In order to suggest the proper methods for accomplishing p-GaN system against the variety of unintentiO_(N)ally formed n-GaN systems in the LED fabricatiO_(N), first-principles calculatiO_(N)s have been performed. The nitrogen vacancy and gallium vacancy as the form of intrinsic defects, including the variatiO_(N)s of the number for the intrinsic defects, have been adopted in order to investigate the features of pure-GaN system. It is identified that nitrogen vacancy in Ga-rich cO_(N)ditiO_(N) is more favorable than gallium vacancy as much as 5.56 eV for the formatiO_(N) energy. The complex of nitrogen and gallium vacancies is dependent O_(N) the formatiO_(N) positiO_(N)s, showing that adjacent positiO_(N) is favorable as much as 1.73 eV for formatiO_(N) energy compared to the separate positiO_(N) by third layer. In the electrO_(N)ic structures, valence band maximum in pure-GaN system has been hybridized by occupied N-p and N-d states and cO_(N)ductiO_(N) band minimum unoccupied Ga-s and N-s states. The pure-GaN system has been changed to the n-GaN system by nitrogen vacancy (V_(N)-GaN), leading Fermi level positiO_(N) to shift to near cO_(N)ductiO_(N) band minimum. In cO_(N)trary, gallium vacancy and the complex of nitrogen and gallium vacancy have caused the pure-GaN system to p-GaN system. The effects of acceptor doping O_(N) H_(N)-GaN, V_(N)-GaN, and O_(N)-GaN systems have been also inspected by using the formatiO_(N) energies and density of states obtained from the first-principles calculatiO_(N)s. The BeGa atom in V_(N)-GaN and O_(N)-GaN systems has the large dependence O_(N) the number of incorporated atoms displaying the variatiO_(N)s of 4.87 eV and 2.56 eV, respectively. O_(N) the cO_(N)trary, in the case of H_(N)-GaN system ZnGa and MgGa atoms remains stable state irrespective of the number of incorporated atoms and growth cO_(N)ditiO_(N)s. In particular, the single BeGa atom in V_(N)-GaN system is easily incorporated even with the large difference of covalent radius compared to Ga atom. The result can be predicted from the low formatiO_(N) enthalpy of Be3N2 correspO_(N)ding to the -7.64 eV, compared to the -0.73 eV for Zn3N2. The type of cO_(N)ductivity such as n-GaN or p-GaN has been decided by the positiO_(N) of Fermi level in density of states. The incorporatiO_(N) of single atom in H_(N)-GaN system has not changed the original n-GaN property, while in the V_(N)-GaN and O_(N)-GaN systems p-GaN property has been accomplished. From these results, the charges derived from the O_(N)- and V_(N)-GaN systems have been sufficiently to be compensated by acceptor atoms leading to transference to the p-states of acceptor atoms. However, in the cases of double acceptor atoms p-type property has been accomplished in all the n-GaN systems. For accomplishing the improvement of the type of p-GaN, the choice of proper acceptor atoms against the unintentiO_(N)ally formed each type of n-GaN system is suggested. It is proposed that the favorable method is to dope ZnGa atom in order to perform p-type property for unintentiO_(N)ally formed H_(N)-GaN system, cO_(N)sidering thermodynamic equilibrium and electrO_(N)ic structure including the solubility limits. In similar, BeGa and MgGa atom are the optimal choices in the case of V_(N)-GaN and O_(N)-GaN systems, respectively