氮化镓（GaN）中碳相关缺陷的迁移机制和扩散势垒

Kyrtsos A, Matsubara M, Bellotti E. Migration mechanisms and diffusion barriers of carbon and native point defects in GaN[J]. Physical Review B, 2016, 93(24): 245201.

DOI: 10.1103/PhysRevB.93.245201

这篇论文的核心内容是关于氮化镓（GaN）中碳相关缺陷的迁移机制和扩散势垒的研究。以下是论文的主要要点：

1. 研究背景：氮化镓是一种重要的III-氮化物半导体，广泛应用于高效LED照明、功率电子和光伏应用。GaN中的点缺陷和扩展缺陷会影响其电子和光学性能。特别是，与碳相关的缺陷被认为是导致GaN中黄光发射（YL）带的原因，这会影响器件的性能。

2. 研究方法：作者采用第一性原理计算，结合密度泛函理论（DFT）和攀爬图像 Nudged Elastic Band（CI-NEB）方法以及二聚体方法，来计算碳间隙原子的迁移势垒，并讨论了在wurtzite GaN晶体中的可能扩散机制。

3. 研究结果：

   • 对于GaN中的本征缺陷（如镓和氮的间隙原子和空位），计算了它们的迁移势垒。
   • 对于碳相关缺陷，主要研究了碳间隙原子，并探讨了其在不同电荷状态下的稳定构型。
   • 发现碳间隙原子在中性状态下的最低迁移势垒是通过机制A（第一近邻平面外迁移）从s2型间隙原子迁移到s1型间隙原子。
   • 对于带电的碳间隙原子，+1和-1电荷状态下的迁移势垒相对较低，而+2电荷状态下的平面内迁移更为有利。

4. 讨论：作者讨论了碳间隙原子与氮间隙原子和空位的相互作用，以及碳间隙原子的旋转机制。这些机制在低温下可能活跃，并且可能与主要跳跃过程结合。

5. 结论：基于计算的迁移势垒，作者估计了本征缺陷和碳相关缺陷的退火温度。本征缺陷预计在600 K以上退火，而碳相关缺陷预计在大约900 K退火，这与GaN生长过程中的MBE和MOCVD技术相关。

6. 实验与理论对比：作者将计算结果与实验数据进行了对比，发现GaN中的镓间隙原子（Gai）具有最低的迁移势垒，且在室温下可能具有迁移性。

7. 计算细节：论文详细描述了计算模型、使用的软件包（VASP）、交换相关泛函（PBE和HSE）、超胞大小、平面波基集能量截断、k点网格以及原子配置的松弛条件。

8. 致谢：作者感谢了与他们讨论的同事，并感谢了美国陆军研究实验室（US Army Research Laboratory）的财务支持，以及提供的计算资源。

这篇论文为理解GaN中碳相关缺陷的迁移行为提供了重要的理论基础，对于改进GaN基器件的性能和可靠性具有重要意义。