Physics and control of the chemical reaction of defects in semiconductors by electronic excitation

Abstract

Possible dopants to make shallow donors in band gap of diamond are nitrogen and phosphorus. But single substitutional nitrogen impurity in diamond makes a deep donor level due to bond breaking, and phosphorus impurity have difficulty in doping due to its larger atomic radius than that of carbon. This difficulty in making n-type diamond is one of the obstacles which must be overcome to realize diamond electronics devices. To make the low resistivity n-type diamond, a codoping method has been proposed. The first principle calculations predict that codoping with boron and nitrogen prevents nitrogen impurity from bond breaking and makes shallower donor level. Electron Spin Resonance (ESR) study and first principle calculations show that the substitutional nitrogen impurity breaks one of fore bonds to nearest neighbor carbons. At this circumstance, it is expected that N-B-N complex in diamond divides one donor electron into half and half on two nitrogens, prevents bond breaking and makes a shallower donor level. This was shown by calculation.

ダイヤモンドのバンドギャップに浅いドナーを作る可能性のあるドーパントは窒素とりんである。しかしダイヤモンド中の1ヶの置換した窒素不純物は、結合破壊による深いドナーレベルを作る。不純物としてのりんは原子半径が炭素のそれよりも大きいのでドーピングが困難である。n型ダイヤモンドを作る上でのこの様な困難は、ダイヤモンド電子デバイスを実現するために克服せねばならぬ障害の1つになっている。そこで低い抵抗率のn型ダイヤモンドを作るために、共ドーピングを提案してきた。第一原理計算によると、ほう素と窒素による共ドーピングは窒素がバンド破壊を行うのを防止して浅いドナーレベルを作ることが予想できる。電子スピン共鳴(ESR)による研究や第一原理計算によって置換窒素不純物が最近接炭素の前面の結合を破壊することが判っている。この状況で、ダイヤモンド中のN-B-N複合体は、2ヶの窒素の上で1ヶのドナー電子が半分づつに分かれて、結合破壊を防止して浅いドナーレベルを作る可能性があることを計算によって示した。