Российские нанотехнологии, 2023, T. 18, № 6, стр. 761-767
Диффузия вакансий азота в кристаллическом нитриде алюминия со структурой вюрцита: расчет из первых принципов
М. А. Даниляк 1, И. В. Белов 1, Н. К. Чумаков 1, В. Г. Валеев 1, *
1 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Москва, Россия
* E-mail: valeev_vg@nrcki.ru
Поступила в редакцию 06.12.2022
После доработки 12.05.2023
Принята к публикации 12.05.2023
Аннотация
Исследованы особенности диффузии вакансий азота в кристаллическом нитриде алюминия со структурой вюрцита, определяющей кинетику формирования и эволюции филаментов в мемристивных структурах на его основе. В частности, из первых принципов рассчитаны величины энергий образования и барьеров диффузии вакансий в зарядовых состояниях $q = 0$, $ \pm 1e$, $ \pm 2e$, где q – заряд вакансии, и найдены температурные зависимости частот перескоков вакансий на соседние узлы кристаллической решетки, которые необходимы для построения численных моделей, описывающих функционирование нитридных структур с резистивным переключением.
ВВЕДЕНИЕ
Нитридные гетероструктуры AlGaN/AlN/GaN и транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на их основе активно исследуются в последние десятилетия с целью создания нового поколения мощной высокотемпературной микроволновой электроники. Причина в том, что достигнутые в этих структурах плотности тока, рабочие температуры, напряжения пробоя и частоты отсечки значительно превосходят аналогичные характеристики всех существующих систем на основе GaAs, Si и Ge [1]. Уникальный набор свойств нитридных структур обусловлен наличием в них двумерного электронного газа (2DEG), локализованного в слое GaN на границе раздела фаз AlN/GaN без специального легирования. Концентрация носителей такого 2DEG имеет порядок величины 1013 см–2 – существенно больше, чем в 2DEG других гетероструктур семейства AIII–BV [2]. В этом контексте, однако, особую актуальность приобретает задача расширения элементной базы нитридной электроники, которая пока относительно скромна [3].
Разработка нитридных структур с резистивным переключением – мемристоров – одно из актуальных направлений. Как известно, мемристоры открывают широкие перспективы разработки нового типа энергонезависимой памяти (RRAM) и нейроморфных вычислительных систем. В сравнении с развивающимися альтернативами (phase change memory, spin-transfer torque RAM) технология RRAM позволяет создавать легко масштабируемые, экономичные и принципиально простые низковольтные двухконтактные структуры со сверхнизким энергопотреблением, многоуровневостью и высокой скоростью резистивного переключения, большой износостойкостью, длительным сроком хранения данных и возможностью трехмерной интеграции в наноструктуры с высокой плотностью размещения структурных элементов. Все это позволяет использовать их в качестве искусственных синапсов (весовых модулей) нейропроцессоров и искусственных нейросетей [4, 5]. Мемристивные структуры на основе нитрида алюминия [6] имеют и целый ряд других преимуществ [7].
Эффекты резистивного переключения в тонких слоях AlN низкого структурного совершенства (аморфных и поликристаллических), помещенных между слоями проводящих материалов, были установлены в [8, 9]. В последней из этих работ продемонстрирован мемристор Ti/AlN(002)/Pt, устойчивый к деградации в 108 циклах переключения со временем хранения данных >108 с. Известно также, что AlN-структуры с преимущественной пространственной ориентацией кристаллитов имеют значительно лучшую совокупность мемристивных свойств по сравнению с системами на основе аморфных пленок AlN [10, 11] и что допирование рабочей области структуры кремнием на 2 порядка увеличивает отношение on/off сопротивлений, на четверть уменьшая величину напряжения переключения [12].
Естественным итогом этой активности мог бы стать синтез нитридных HEMT и AlN-мемристоров с целью создания структур типа “memory on chip”. Ориентируясь на такую перспективу, сосредоточимся на исследовании физического механизма резистивного переключения в кристаллическом нитриде алюминия со структурой вюрцита. Основой этого механизма, который в виду его сложности может быть описан лишь численно, служат, как известно, формирование и эволюция проводящих филаментов, образующихся в рабочей области мемристора в результате термополевой диффузии вакансий азота в матрице AlN. Поэтому ключевыми элементами его численной модели являются физические параметры системы, характеризующие этот диффузионный процесс, – величины энергий образования вакансии азота, высоты соответствующих диффузионных барьеров и частоты перескоков вакансий на соседние узлы кристаллической решетки.
В литературе, посвященной исследованию точечных дефектов в нитридных системах, существует богатая традиция численного анализа свойств вакансий азота в кристаллическом нитриде алюминия (например, [13–16] и литература в них). Цель этих работ состояла в изучении влияния собственных точечных дефектов кристаллической решетки AlN на его зонную структуру, а также электрическую прочность и механические свойства. Из близких по кругу вопросов, рассмотренных здесь, можно сослаться на работу [17], где обсуждается роль вакансий азота в кристаллах GaN со структурой вюрцита в диффузии примесных атомов и в процессах деградации материала матрицы, изучены возможные траектории миграции анионов азота и на основе первых принципов рассчитаны величины возникающих при такой миграции потенциальных барьеров, работу [18] о диффузии вакансии азота в нитриде галлия, допированном магнием, и аналогичную по постановке задачи работу [19], посвященную свойствам собственных дефектов в термодинамически равновесном кристаллическом AlN.
В настоящей работе сосредоточимся на расчете энергий образования и барьеров диффузии для всех зарядовых состояний вакансии азота ($V_{N}^{q}$, $q = 0$, $ \pm 1$, $ \pm 2$, где q –заряд вакансии) в нитриде алюминия, а также найдем температурные зависимости частот перескоков вакансионных состояний азота, которые определяют кинетику филаментов в AlN-мемристорах и необходимы для построения численных моделей, описывающих их функционирование.
МЕТОДЫ
Энергия образования структуры с вакансией азота с зарядом q в матрице AlN определяется соотношением [20, 21]:
(1)
$\begin{gathered} {{E}_{f}}[V_{{\text{N}}}^{q}] = {{E}_{{{\text{tot}}}}}[V_{{\text{N}}}^{q}] - {{E}_{{{\text{tot}}}}}[{\text{bulk}}] + \\ + \;{{{{\mu }}}_{{\text{N}}}} + q\left( {{{E}_{F}} + {{E}_{v}}} \right) + {{E}_{{{\text{corr}}}}}, \\ \end{gathered} $(2)
${{E}_{G}}[{\text{AlN}}] - {{{{\mu }}}_{{{\text{Al}}}}}[{\text{bulk}}] \leqslant {{{{\mu }}}_{{\text{N}}}} \leqslant 0.5{{E}_{G}}[{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}}].$Расчеты из первых принципов выполнены в двух приближениях – методом проекций присоединенных волн (PAW) [26] с функционалом LDA в параметризации Ceperly-Alder [27] с ультрамягкими псевдопотенциалами (US-PP) [28] и c применением GGA-функционала Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [29], оба в версиях, реализованных в программном комплексе VASP [30]. Во всех расчетах учтена спиновая степень свободы электронов в коллинеарном приближении. Релаксация ионных степеней свободы останавливалась, если изменение свободной энергии Гельмгольца между двумя шагами итераций $\Delta {{E}_{{\text{G}}}}$ было меньше 10–2 эВ. Энергия системы найдена из вариационного принципа, записанного в терминах электронной плотности, процесс расчета был прекращен при условии, что $\Delta {{E}_{G}}$ ≤ 10–16 эВ.
Элементарная ячейка кристаллического AlN со структурой вюрцита состоит из двух атомов алюминия и двух атомов азота (рис. 1) с длиной связи между атомами Al и N, равной 1.90 Å. Результат расчета параметров решетки a = 3.129, b = = 3.129, c = 5.017 Å удовлетворительно согласуется с данными эксперимента (a = 3.11, b = 3.11, c = 4.98 Å [31, 32]). Однако расчетная величина ширины запрещенной зоны, Eg = 4.05 эВ, заметно отличается от ее фактического значения ($E_{g}^{{{\text{exp}}}}$ = 6.1 эВ [33]).
Расчеты электронной структуры кристаллического AlN со структурой вюрцита проведены с энергией отсечки в разложении по плоским волнам Ecut = 400 эВ для сверхъячейки из 3 × 3 × 3 элементарных ячеек AlN, в совокупности содержащей 108 атомов; при интегрировании по зоне Бриллюэна использована cетка Монкхорста−Пака 5 × 5 × 5.
Рассчитанная методом PAW полная энергия идеальной структуры AlN из 108 атомов без вакансии ${{E}_{{{\text{tot}}}}}\left[ {{\text{bulk}}} \right]$ = –886.07 эВ; кроме того, ${{{{\mu }}}_{{{\text{Al}}}}}{\text{[bulk]}}$= –4.18 эВ а ${{E}_{G}}{\text{[}}{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}}{\text{]}}$ = –17.49 эВ. Согласно соотношению (2) в расчетах методом PAW следует положить ${{{{\mu }}}_{{\text{N}}}}$ = –10.49 эВ ± 1.74 эВ.
Полная энергия идеальной структуры AlN из 108 атомов без вакансии, рассчитанная методом PBE, ${{E}_{{{\text{tot}}}}}\left[ {{\text{bulk}}} \right]$ = –804.13 эВ; химический потенциал идеального кристаллического Al в этом расчете ${{{{\mu }}}_{{{\text{Al}}}}}{\text{[bulk]}}$ = –3.74 эВ, а ${{E}_{G}}{\text{[}}{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}}{\text{]}}$ = –16.61 эВ. Так что в этом приближении ${{{{\mu }}}_{{\text{N}}}}$ = –9.73 эВ ± 1.43 эВ.
Переходные состояния при диффузии вакансии азота на соседние узлы найдены посредством метода упругой ленты (Nudged Elastic Band Method [34–36]). Переходные состояния при диффузии вакансии в плоскостях α(a ⋂ b) и β(a ⋂ с) изображены на рис. 2.
Для оценки частоты переходов вакансии азота с зарядом q на соседние узлы использовано приближение
(3)
${{\nu }_{{{\text{Diff}}}}} = {{{{\omega }}}_{{\text{D}}}}{\text{exp}}( - E_{{{\text{Diff}}}}^{q}{\text{/}}kT),$РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты расчета зонной структуры кристаллического нитрида алюминия со структурой вюрцита – идеального и с вакансией с зарядом q = –1e и –2e методом PAW приведены на рис. 3. Соответствующие расчеты в приближении PBE показаны на рис. 4.
Результаты расчета параметров структур AlN с вакансией $V_{{\text{N}}}^{q}$ методом PAW представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Заряд вакансии $V_{{\text{N}}}^{q}$ в AlN | ${{E}_{{{\text{tot}}}}}[V_{N}^{q}]$, эВ | Положение уровня Ферми структуры с вакансией относительно уровня вакуума, эВ | ${{E}_{f}}[V_{{\text{N}}}^{q}]$, эВ | Барьер диффузии вакансии $E_{{{\text{Diff}}}}^{q}$, эВ |
---|---|---|---|---|
–3е | –842.27 | –5.82 | 15.08 | 2.01 |
–2e | –851.87 | –6.10 | 11.59 | 1.77 |
–1e | –861.24 | –6.04 | 8.25 | 1.43 |
0 | –870.59 | –6.10 | 5.00 | 2.73 |
1e | –879.98 | –9.08 | 1.72 | 4.31 |
2e | –886.37 | –8.88 | 4.4 | 3.51 |
3e | –893.23 | –9.65 | 6.42 | 3.35 |
Соответствующие результаты расчета для структур AlN с вакансией азота методом PBE представлены в табл. 2.
Таблица 2.
Заряд вакансии $V_{{\text{N}}}^{q}$в AlN | ${{E}_{{{\text{tot}}}}}[V_{{\text{N}}}^{q}]$, эВ | Положение уровня Ферми структуры с вакансией относительно уровня вакуума, эВ | ${{E}_{f}}[V_{{\text{N}}}^{q}]$, эВ | Барьер диффузии вакансии $E_{{{\text{Diff}}}}^{q}$, эВ |
---|---|---|---|---|
–3е | –760.84 | –5.64 | 15.71 | 2.05 |
–2e | –770.64 | –5.92 | 11.83 | 1.78 |
–1e | –780.34 | –5.97 | 8.09 | 1.55 |
0 | –789.80 | –5.97 | 4.61 | 2.77 |
1e | –799.36 | –8.97 | 1.02 | 4.31 |
2e | –805.81 | –8.84 | 3.54 | 3.42 |
3e | –812.79 | –9.36 | 5.39 | 3.21 |
Графики температурных зависимостей частот перехода вакансий азота на соседний узел, рассчитанных на основе данных, полученных методами PAW и PBE в интервале температур 300 < T < < 1200 K, приведены на рис. 5 и 6 соответственно. При этом ограничились анализом результатов только для вакансий азота в зарядовых состояниях q = –1e и q = –2e, диффузия которых, по-видимому, и определяет кинетику формирования и эволюции проводящих филаментарных структур в исследуемой системе.
ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты расчетов энергий образования вакансий и барьеров диффузии вакансий согласуются с данными, полученными другими авторами в рамках тех же приближений, и подтверждаются в эксперименте. Это обстоятельство позволяет полагать, что и величины частоты переходов вакансий на соседние узлы кристаллической решетки AlN со структурой вюрцита, которые были рассчитаны впервые, также вполне достоверны. Эти результаты показывают, что основной вклад в динамику филаментов, ответственных за процессы резистивного переключения в исследуемой системе, вносят вакансии азота с зарядом q = –1e. Судя по характеру соответствующей зонной структуры AlN, состояние с высокой проводимостью возникает в тех областях кристалла, где плотность $V_{N}^{{ - 1}}$ превышает порог фазового перехода диэлектрик–металл по вакансионной зоне, который, как известно, лежит в области концентраций дефектов от 1017 до 1019 см–3 [38]. Отметим, что размеры сверхъячеек, которые позволяют исследовать доступные вычислительные средства, соответствуют плотности вакансий ~2.5 × 1020 см–3. Поэтому зонные структуры AlN с дефектами на рис. 3б, 3в и 4б, 4в отвечают состояниям системы, в которых этот фазовый переход уже состоялся: электронные состояния на вакансиях азота в них уширены в зоны, частично гибридизированные с зоной проводимости идеального AlN.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассчитаны из первых принципов величины энергий образования и барьеров диффузии для всех зарядовых состояний вакансии азота в кристаллическом нитриде алюминия со структурой вюрцита, а также найдены температурные зависимости частот перескоков этих вакансий на соседние узлы. Именно эти частоты определяют кинетику филаментов в AlN-мемристорах и необходимы для построения численных моделей, описывающих их функционирование.
Приближение (3), использованное в работе, дает лишь верхнюю оценку искомых зависимостей. Более аккуратный расчет, требующий исследования фононного спектра системы на основе первых принципов, будет представлен в следующей работе.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-29-00535). Квантовохимические расчеты выполнены на ресурсах Федерального центра коллективного пользования научным оборудованием “Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса” НИЦ “Курчатовский институт”.
Список литературы
Gallium nitride (GaN): physics, devices, and technology / Eds. Medjdoub A.F., Iniewski K. New York: CRC Press, 2016. 372 p.
Gurusinghe M.N., Davidsson S.K., Andersson T.G. // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. № 4. P. 045316. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.045316
Wide bandgap semiconductors for power electronics: materials, devices, applications / Eds. Wellmann P. et al. 2 volumes. Wiley-VCH, 2022. 736 p.
Banerjee W. // Electronics. 2020. V. 9. № 6. P. 1029. https://doi.org/10.3390/electronics9061029
Zhu J., Zhang T., Yang Y. et al. // Appl. Phys. Rev. 2020. V. 7. № 1. P. 011312. https://doi.org/10.1063/1.5118217
Guo Y., Hu W., Zhang Ch. et al. // J. Phys. D. 2020. V. 53. № 19. P. 195101. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab7517
Ho C.H., Retamal J.R., Yang P.K. et al. // Sci. Rep.-UK. 2017. V. 7. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1038/srep44429
Chen C., Yang Y.C., Zeng F. et al. // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. № 8. P. 083502. https://doi.org/10.1063/1.3483158
Kim H.D., An H.M., Lee E.B. et al. // IEEE Trans. Electron Devices. 2011. V. 58. № 10. P. 3566. https://doi.org/10.1109/TED.2011.2162518
Lin C.C., Liou H.Y., Chu S.-Y. et al. // CrystEngCommun. 2018. V. 20. № 40. P. 6230. https://doi.org/10.1039/C8CE00966J
Lin C.-C., Liou H.-Y., Hung P.H. et al. // IEEE Trans. Electron Devices. 2019. V. 66. № 11. P. 4716. https://doi.org/10.1109/TED.2019.2939365
Min K.-P., Li Ch.-Y., Chang T.-J. et al. // ACS Appl. Electron. Mater. 2021. V. 3. № 12. P. 5327. https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c00823
Stampfl C., Van de Walle C.G. // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. № 15. P. 155212. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.155212
Freysoldt Ch., Grabowski B., Hickel T. et al. // Rev. Mod. Phys. 2014. V. 86. № 1. P. 253. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.86.253
Gao Y., Sun D., Jiang X. et al. // J. Appl. Phys. 2019. V. 125. № 21. P. 215705. https://doi.org/10.1063/1.5094356
Hrytsak R., Kempisty P., Grzanka E. et al. // Materials. 2022. V. 15. № 2. P. 478. https://doi.org/10.3390/ma15020478
Limpijumnong S., Van de Walle C.G. // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. № 3. P. 035207. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.035207
Wright A.F., Mattsson T.R. // J. Appl. Phys. 2004. V. 96. № 4. P. 2015. https://doi.org/10.1063/1.1767981
Chen Y., Wu L., Liang D. et al. // Comput. Mater. Sci. 2021. V. 188. P. 110169. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.110169
Zhang S.B., Northrup J.E. // Phys. Rev. Lett. 1991. V. 67. № 17. P. 2339. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.2339
Van de Walle C.G., Neugebauer J. // Appl. Phys. Rev. 2004. V. 95. № 8. P. 3851. https://doi.org/10.1063/1.1682673
Freysoldt C., Neugebauer J., Van de Walle C.G. // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. № 1. P. 016402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.016402
Freysoldt C., Neugebauer J., Van de Walle C.G. // Phys. Status. Solidi. B. 2011. V. 248. № 5. P. 1067. https://doi.org/10.1002/pssb.201046289
Gordon L., Varley J.B., Lyons J.L. et al. // Phys. Status. Solidi. RRL. 2015. V. 9. № 8. P. 1067. https://doi.org/10.1002/pssr.201510165
CRC Handbook of chemistry and physics, 2016-2017 / Ed. Haynes W.M. 97th edn. Ann Arbor, Michigan: CRC Press, 2014. 2638 p.
Blochl P.E. // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. № 24. P. 17953. https://doi.org/10.1103/physrevb.50.17953
Ceperley D.M., Alder B.J. // Phys. Rev. Lett. 1980. V. 45. № 7. P. 566. https://doi.org/10.1103/physrevlett.45.566
Kresse G., Hafner J. // J. Phys: Condens. Mater. 1994. V. 6. № 40. P. 8245. https://doi.org/10.1088/0953-8984/6/40/015
Kresse G., Furthmuller J. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 11. P. 169. https://doi.org/10.1103/physrevb.54.11169
Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865. https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
Vurgaftman I., Meyer J.R. // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. № 11. P. 3675. https://doi.org/10.1063/1.1368156
Ranade M.R., Tessier F., Navrotsky A., Marchand R. // J. Mater. Res. 2001. V. 16. № 10. P. 2824. https://doi.org/10.1557/JMR.2001.0389
Feneberg M., Leute R.A.R., Neuschl B. et al. // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. № 7. P. 075208. https://doi.org/10.1103/physrevb.82.075208
Jónsson H., Mills G., Jacobsen K.W. // Classical and Quantum Dynamics in Condensed Phase Simulations / Eds. Berne B.J. et al. World Scientific, 1998. P. 385.
Mills G., Jónsson H. // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. № 7. P. 1124. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.1124
Mills G., Jónsson H., Schenter G.K. // Surf. Sci. 1995. V. 324. № 2–3. P. 305. https://doi.org/10.1016/0039-6028(94)00731-4
Goldberg Yu. // Properties of advanced semiconductor materials. GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe / Eds. Levinshtein M.E. et al. New York: Wiley, 2001. P. 31.
Mott N.F. // Rev. Mod. Phys. 1968. V. 40 № 4. P. 677. https://doi.org/10.1103/revmodphys.40.677
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Российские нанотехнологии