【国际论文】氧化镓-金属界面： 密度泛函理论的启示与光电探测性能评估

        由越南河内理工大学的研究团队在学术期刊 Materials Research Express 发布了一篇名为 Gallium Oxide–Metal Interfaces: Insights from Density Functional Theory and Photodetection Performance Evaluation（氧化镓-金属界面： 密度泛函理论的启示与光电探测性能评估）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为第四代宽禁带半导体，在光电器件中具有广阔应用前景。尽管 β-Ga₂O₃ 基光探测器（PD）已被广泛研究，但亚稳态的 α-Ga₂O₃ 因其更宽的带隙（5.3 eV）在深紫外探测中潜力更大，相关研究却较少。金属/α-Ga₂O₃ 界面的理论模型和低成本电极材料（如Al、Ni）的探索仍存在空白。通过密度泛函理论（DFT）和实验验证，揭示 α-Ga₂O₃ 与金属（Al、Ni）界面的结构稳定性、电子特性及光电探测性能差异，为低成本高性能器件设计提供依据。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为一种第四代宽禁带半导体，在先进光电应用中展现出巨大潜力。尽管基于 β-Ga₂O₃ 的光探测器（PD）研究已相对成熟，但针对 α-Ga₂O₃ 的相关研究仍较为稀少。系统研究了 α-Ga₂O₃ 基金属-半导体-金属（MSM）结构光探测器的结构、电学特性及器件性能。通过基于 GGA+U 方法的第一性原理计算发现，当 Al(111) 和 Ni(111) 电极分别与 α-Ga₂O₃(0001) 界面接触时，前者受到拉应变，后者则受到压应变。计算得出的 α-Ga₂O₃ 本征材料的禁带宽度为 5.30 eV（直接带隙）和 5.17 eV（间接带隙），在第六层 Ga 原子之后几乎无金属诱导的能隙态（MIGS）。其电子亲和势为 4.31 eV，对应 Al 和 Ni 电极形成的肖特基势垒高度分别为 0.046 eV 和 0.650 eV。

        在实验上，采用雾化学气相沉积（mist-CVD）方法外延生长 α-Ga₂O₃ 薄膜，并通过热蒸发法沉积 Al 和 Ni 电极，制备对称型 MSM 光探测器。所得 α-Ga₂O₃ 薄膜的光学带隙为 5.247 eV。器件表现出较低的暗电流，且使用 Al 电极的器件具有更高的光/暗电流比。探测器在约 230 nm 波长处呈现峰值响应，减小电极指距与增加电极间隙均有助于提升器件性能。该研究不仅揭示了 α-Ga₂O₃ 基器件中金属/半导体界面的关键物理机制，也为其在深紫外光电探测应用中的设计与优化提供了理论支持与实验依据。

图 1. (a) 板状 Ga₂O₃ (0001) 和界面 (b) Ga₂O₃ (0001)/Al(111) 和 (c) Ga₂O₃ (0001)/Ni(111) 的初始建模结构。

图 2：（a）雾化学气相沉积系统示意图；（b）光电探测器和电极设计的 MSM 结构。

DOI：

doi.org/10.1088/2053-1591/adc3ed