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【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、冯倩教授团队：探究Mg-Ge共掺杂增强 β-Ga₂O₃ 的p型导电率

日期：2025-04-01阅读：94

由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、冯倩教授的研究团队在学术期刊 Computational Materials Science 发布了一篇名为 First-principles study of Mg-Ge co-doping to realize p-type β-Ga₂O₃ containing divacancy-interstitial complex defects（掺杂镁-锗以实现含有双空位-间隙复合缺陷的 p 型 β-Ga₂O₃ 的第一性原理研究）的文章。

项目支持

该项研究得到了国家自然科学基金（NSFC）的资助，Grants No. U21A20503，61974112，61974115。此外，项目研究还得到了电子元器件可靠性物理及应用技术科学与技术的资助。

背景

β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带（UWBG）半导体材料，其禁带宽度为 4.9 eV，击穿场强高达 8 MV/cm，巴利加优值为 3444，非常适合用于高功率器件、深紫外（DUV）光电探测器和透明导电薄膜等领域。然而，阻碍其广泛应用的主要难题之一在于难以实现 p 型导电性。

虽然通过掺入 Si 和 Sn 已成功制备出 n 型的 β-Ga₂O₃，使载流子浓度达到 10¹⁵-10²⁰ cm^-3，但由于深受主能级和高缺陷形成能的存在，p 型掺杂仍难以实现。使用 Zn、Mg 和 N 元素引入 p 型导电性的尝试遇到了高电阻率和深受主能级的问题，阻碍了空穴的激活。

现在的方法是利用 Ga 空位（V_Ga）缺陷，其可充当受主。然而，V_Ga 通常具有较高的形成能，因而对 p 型导电的效果较差。近期的研究表明，由两个 Ga 空位与一个 Ga 间隙原子耦合而成的双空位 - 间隙复合缺陷（2V_Ga1-Ga_ic）可能是一种更稳定的受主复合体。

本研究探讨了这些复合缺陷的形成能和电子特性，探究了 Mg-Ge 共掺杂如何通过降低形成能和浅化受主能级来增强 β-Ga₂O₃ 的 p 型导电性。

主要内容

项目研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 中的双空位-间隙复合缺陷（记为 2V_Ga1-Ga_ic）以及通过共掺杂提高含 2V_Ga₁-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型电导率。结果表明，单掺杂第 IV 族元素（Si、Ge 和 Sn）会降低 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能，但会提高受主能级。Ge 掺杂对形成能的影响最为显著，与未掺杂情况相比，将 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能从 4.58 eV 降至 3.61 eV。相比之下，单掺杂 Mg 和 Zn 原子会降低 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能级，但会提高形成能。Mg 掺杂对受主能级的影响更好，与未掺杂情况相比，将 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能级 ε(0/−1) 从价带顶的 0.22 eV 降低至 0.04 eV。两种单掺杂的优势可以通过共掺杂来结合。Mg-Ge 共掺杂不仅降低了形成能，还使受主能级变浅，从而提高了空穴活化效率。因此，通过采用 Mg-Ge 共掺杂，可提高含 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型导电性，这一新方案为未来实现 p 型 β-Ga₂O₃ 提供了新的方向。

研究亮点

• 研究了五种复合缺陷的相对稳定性。

• Si, Ge 和 Sn 单掺杂可降低复合缺陷系统的形成能。

• Mg 和 Zn 单掺杂可降低复合缺陷体系的受主能级。

• Mg-Ge 共掺杂可实现复合缺陷体系的 p 型掺杂。

总结

该团队研究了 β-Ga₂O₃ 中的双空位-间隙复合缺陷以及掺杂对双空位-间隙复合缺陷性质的影响。结果表明，在五种双空位-间隙复合缺陷中，2V_Ga1-Ga_ic 是最稳定的构型。单掺杂 Si、Ge 和 Sn 原子显著降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能。其中，Ge 掺杂效果最佳，尤其是在富氧条件下，Ge 掺杂的 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能降低至 3.61 eV。单掺杂 Mg 和 Zn 原子显著降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能级，其中 Mg 掺杂效果更佳。Mg-Ge 共掺杂结合了 Ge 掺杂和 Mg 掺杂的优点。这种共掺杂不仅降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能，还降低了其受主能级，从而提高了 p 型电导率。

图 1. 沿 β-Ga₂O₃（010）方向的五种可能的镓间隙位点以及相对应的五种复合缺陷的结构示意图。(a）间隙位点 i_a-c，（b）间隙位点 i_d-e，（c）V_Ga1-Ga_ia-V_Ga2，（d）2V_Ga1-Ga_ib，（e）2V_Ga1-Ga_ic，（f）V_Ga1-Ga_id-V_Ga2，（g）V_Ga1-Ga_ie-V_Ga2。虚线圆圈表示 Ga 空位，白色球体表示 Ga 间隙。(h) β-Ga₂O₃ 中五种空位-间隙复合缺陷和 V_Ga1 的形成能。(i) 松弛后 2V_Ga1-Ga_ic 复合缺陷的结构。箭头表示原子移动的方向。

图 2. 含有 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 中掺杂位置的示意图。掺杂原子可以取代三种不同的 Ga 原子（Ga₁、Ga₂ 和 Ga_ic）。橙球表示掺杂原子的位置。

DOI：

doi.org/10.1016/j.commatsci.2025.113849