【会员论文】APL丨香港科技大学（广州）陈子强教授联合南京邮电大学、美国克拉克森大学团队：α-Ga₂O₃的高场电子输运特性

        α-Ga₂O₃（刚玉相氧化镓）作为一种超宽禁带半导体，因其能利用 Mist-CVD 等低成本技术在商业化的蓝宝石衬底上实现大尺寸异质外延生长而备受关注，尽管此前研究已初步揭示了其受极性光学声子限制的低场迁移率特性，但在高电场环境下，由于缺乏对全能带结构和电子 - 声子相互作用的深入理解，其高场电子输运性能及其各向异性的微观起源仍是一个亟待解决的科学盲区。

        采用全带第一性原理计算与蒙特卡洛模拟相结合的综合方法，研究了 α 相氧化镓（α-Ga₂O₃）在高达 1 MV/cm电场下的高场电子输运特性。在低电子能量下，电子 - 声子散射率表现出强烈的温度依赖性，而在较高电子能量下，散射率几乎与温度无关。在室温下，沿 x 和 y 方向的峰值漂移速度在 400 kV/cm 时达到 2.5×10⁷ cm/s，在 1 MV/cm 时衰减至1.0×10⁷ cm/s。当电场强度超过约 200 kV/cm 时，漂移速度出现各向异性，沿 z 方向的漂移速度始终低于沿 x 和 y 方向的漂移速度。模分辨的动量弛豫分析表明，A_g 和 E_g 声子模是导致这种各向异性的主要驱动因素，因为沿 z 方向的动量随机化增强。这些结果为全面理解 α-Ga₂O₃ 中的高场电子输运提供了依据，为优化大功率电子器件提供了宝贵见解。

        ·研究采用了集成全能带第一性原理计算与蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟的框架，避免了传统模型中的有效质量近似，直接评估了全能带结构和详细的电子-声子相互作用对载流子动力学的影响。

        ·研究发现，当电场强度超过 200 kV/cm 时，电子输运表现出明显的各向异性。具体表现为：沿 z 方向（c 轴）的漂移速度明显低于 x 和 y 方向，且这种现象在整个高场范围内持续存在。

        ·通过模式分解的动量弛豫分析，研究确定了 A_g 和 E_g 声子模式是造成各向异性的主要原因。这两种声子模式在 z 方向引起了更强的动量随机化（大角度散射），从而抑制了该方向的电子漂移速度。

        ·研究指出，在高能电子状态下，总散射率对温度的依赖性变弱。这意味着 α-Ga₂O₃ 功率器件在高电场工作时，其性能受环境温度波动的影响相对较小，具备良好的热稳定性稳定性。

        综上所述，本篇文章揭示了 α-Ga₂O₃ 中高场输运各向异性背后的微观机制。定量分析证实，沿 z 方向由 A_g 和 E_g 声子引起的强烈动量弛豫是速度抑制的根本原因。通过明确包含次级谷并实时监测跃迁，文章已证实高场电子输运模型在高达 1 MV/cm 的电场下有效。结合严格的 200³ 网格收敛测试，本研究为超宽带隙半导体中的热载流子效应提供了明确的物理图像，并为器件取向优化提供了关键见解。

        本工作得到了香港科技大学（广州）陈子强初创基金、广州市科技计划项目（编号：2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310和2023A03J0152）、广东省教育厅（编号：2024ZDZX1005）、国家外国专家局（编号：Y20240005）、国家项目入选人才配套资金（编号：CZ118SC24007）、国家重大人才工程（编号：CZ118SC25005）、海外优秀青年科学家基金（编号：RK118QN24006）、材料表征与制备设施（MCPF）以及香港科技大学（广州）绿色材料实验室的支持。

图1. (a) α-Ga₂O₃ 的四个最低导带的电子能带结构，红色虚线表示 Wannier 插值能带结构。(b) 通过密度泛函微扰理论（DFPT）计算得到的声子色散。

图2. 100–600 K 下由（a）声学声子和（b）光学声子引起的电子 - 声子散射率，颜色越深表示温度越高。插图显示了低电子能量下由光学声子贡献的散射率。

图3. 沿(a) x、(b) y 和(c) z 方向的稳定漂移速度，以及相应的收敛电子能量(d)–(f)。

图4. (a) 沿 x/y（黑色）和 z（红色）方向的漂移速度对电场的依赖性。颜色越深表示温度越高。(b) 从线性区域提取的低场电子迁移率，显示出强烈的温度依赖性，但各向异性可忽略不计。(c) A_g + E_g、A_u 和 E_u 模式的声子模式分解散射事件分数对电场的依赖性。(d) 相同声子模式的相应累积动量弛豫比。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0328923