Ab initio study of N-doped β-Ga 2 O 3 with intrinsic defects: the structural, electronic and optical properties

赝势 掺杂剂 空位缺陷 兴奋剂 密度泛函理论 接受者 带隙 吸收边 从头算 材料科学 价(化学) 电子结构 结晶学 化学 计算化学 凝聚态物理 光电子学 物理 有机化学
作者
Linpeng Dong,Renxu Jia,Chong Li,Bin Xin,Yuming Zhang
出处
期刊:Journal of Alloys and Compounds [Elsevier BV]
卷期号:712: 379-385 被引量:132
标识
DOI:10.1016/j.jallcom.2017.04.020
摘要

We investigated the compensation mechanism between N acceptors and native defects in β-Ga2O3 by employing the approach of pseudopotential plane-wave under the density functional theory framework. Four types of defect complexes: NGa2O3VO (N-doped β-Ga2O3 with O vacancy), NGa2O3VGa (N-doped β-Ga2O3 with Ga vacancy), NGa2O3Gai (N-doped β-Ga2O3 with Ga interstitial), and NGa2O3Oi (N-doped β-Ga2O3 with O interstitial) are take into consideration. The electronic structures, formation energies, structural, and optical properties of the defect complexes are calculated. The calculated results indicate that N dopant acts as a deep acceptor with an acceptor level at 1.33 eV above the valence band maximum, which cannot be an effective P-type dopant. The formation energies of defect complexes NGa2O3VO and NGa2O3Gai under Ga-rich atmosphere condition are 2.06 eV and 2.07 eV, respectively, which are close to the value of NGa2O3 (1.90 eV) and indicate these two defect complexes are stable under Ga-rich atmosphere. Compensated by these two native defects, N-doped β-Ga2O3 converts into weak n-type conductivity. After N-doped, a slight red-shift appears in the intrinsic absorption edge. When the intrinsic defects introduced, all the other defect complexes models induce a red-shift of the optical absorption edge compared with the pure β-Ga2O3 except for NGa2O3Gai.
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