First-principles studies of nitrogen doping in 4H-SiC

兴奋剂 氮气 材料科学 凝聚态物理 工程物理 纳米技术 化学 光电子学 物理 有机化学
作者
Tangjiang Qian,Ji-Hui Yang
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:137 (21)
标识
DOI:10.1063/5.0257680
摘要

Nitrogen (N) doping is crucial in 4H-SiC for preparing n-type electronic devices and for creating useful color centers. However, due to the doping complexity, such as N doping concentrations, growth or annealing temperatures, and chemical potentials, accurate control of N doping in 4H-SiC still remains largely unexplored both experimentally and theoretically. In this work, we systematically investigate the defect properties of N-doped 4H-SiC using first-principles calculations. By comprehensively investigating the effects of growth temperatures, chemical potentials, and the total amount of incorporated N on defect concentrations, Fermi levels, and carrier densities, we identify optimal doping conditions in 4H-SiC for achieving improved n-type electrical and optical properties in terms of color center concentrations. Our thermodynamic simulations indicate that, higher N incorporation, higher growth or annealing temperatures, and Si-rich conditions are favored for obtaining better n-type electricity while higher concentrations of Si vacancy and nitrogen-vacancy color centers can be achieved with more N incorporation, higher growth or annealing temperatures, and C-rich conditions. Our work provides valuable theoretical insights for optimizing N doping in 4H-SiC, which can guide the design of advanced n-type electronic devices and enhance the performance of color centers for quantum applications.

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