【国际论文】结合混合功能能量学与半导体和过程热力学的 β-Ga₂O₃ 点缺陷定量建模

        由美国犹他大学的研究团队在学术期刊 Physical Chemistry Chemical Physics 发布了一篇名为 Quantitative modeling of point defects in β-Ga₂O₃ combining hybrid functional energetics with semiconductor and processes thermodynamics（结合混合功能能量学与半导体和过程热力学的 β-Ga₂O₃ 点缺陷定量建模）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其独特的熔体生长、外延生长、n 型掺杂性、超宽禁带以及高临界电场等特性，在功率电子学领域备受关注。为了优化晶体生长过程，促进有益缺陷的形成并抑制有害缺陷，需要对本征缺陷和杂质缺陷进行精确的定量建模。基于密度泛函理论（DFT）计算的缺陷形成能，定量地模拟了缺陷浓度随晶体生长条件的变化，并证明了在建模中必须考虑诸如带隙温度依赖性、热化学中的化学势以及缺陷振动熵等效应。如果不考虑这些因素，就会得出严重错误且具有误导性的预测，例如认为 n 型掺杂尝试会完全被镓空位补偿。而纳入这些效应后，模拟结果与实验事实相符，即熔体生长的锡掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体具有导电性且补偿度小，而在中温下于氧气中退火相同的晶体则使其变为绝缘体。为了完成这种建模，研究团队开发了一种基于计算缺陷形成能和灵活热力学条件的全面建模框架（KROGER）。这些能力使 KROGER 能够捕捉在特定半导体生长或制造过程中本征缺陷和杂质之间发生的完全和部分缺陷平衡。使用 KROGER 模拟了在代表 EFG 法生长的块状晶体和在氧气中退火条件下，涉及 19 种元素的 259 种缺陷的 873 种电荷态。本方法可推广到除 β-Ga₂O₃ 之外的多种材料。点缺陷的热力学和第一性原理建模的结合为生长和加工过程中点缺陷种群的优化提供了见解。

图 1. （a）在不同热力学条件下 Ga、O 和 Sn 的温度相关化学势，其中 Δμ_O 为实线，Δμ_Ga 为虚线：典型的 O 或 Ga 富集（黑色），基于 Ga-O 系统的热化学函数，p_O2 分别为 0.02 和 1 atm（红色、蓝色）。对于 Sn（绿色），实线表示总 [Sn] 固定的情况，而点划线则是根据 p_O2 = 0.02 atm 时的 SnO₂ 相边界得出的。（b）在 Ga-O 化学势空间中 Δμ_Ga 和 Δμ_O 的关系图。在 0 或 300 K 时，实验 ΔH_F = ΔG°（灰色对角线）与 DFT 计算值的误差在 15%以内，但随着接近 T_m，误差增加到 50%，且保持 p_O2 恒定的条件位置远离 O 富集或 Ga 富集条件（蓝色或红色圆圈）。这说明了为何使用热化学得出的化学势能更准确地预测缺陷的存在。

图 2. 为在保持 [Sn] = 4.5 × 10¹⁸ cm⁻³ 不变的情况下，缺陷浓度的计算结果，其中（a）为富氧条件，保持 Δμ_O、Δμ_Ga 以及 E_g 随温度变化的常量，这与许多现有文献中的情况一致。请注意，预测的载流子密度甚至都不可见，因此样品预计为绝缘体。（b）为 EFG 晶体生长（p_tot = 1 atm，p_O2 = 0.02 atm，f = 0.40），（c）为 O₂ 退火（p_tot = p_O2 = 1 atm，f = 0.40）。实心圆代表平衡浓度，而空心圆则显示从每个平衡温度淬火至 300 K 的结果。

DOI：

doi.org/10.1039/D4CP04817B