【会员论文】深圳平湖实验室查显弧博士在国际知名期刊发表科研成果

        深圳平湖实验室第四代材料器件课题组针对 β 相氧化镓 p 型导电困难问题，在理论上考察了不同金属元素固溶对 β 相氧化镓能带结构的调控机制。该成果 “Effect of Alloying Metal Elements on the Valence Band of β-Ga₂O₃: A First-Principles Study” 已在 The Journal of Physical Chemistry Letters 国际期刊上发表。查显弧博士是该文的第一作者，万玉喜主任和张道华院士是该文通讯作者，李爽副教授为合作作者。

        β 相氧化镓具有超宽的半导体带隙和经济成熟的制备方法，是当前高度关注的功率器件半导体材料。然而，由于其价带能级低、空穴质量大等因素，氧化镓的 p 型导电仍充满挑战。如何实现 p 型掺杂，制备具有更高雪崩能力和过流稳定性的氧化镓 p-n 同质结是需要突破的重要方向。利用尺寸效应、缺陷调控、非平衡动力学及固溶提升价带顶能级等方案是目前研究实现 β 相氧化镓 p 型掺杂的主要策略。

        本工作针对固溶提升价带顶能级策略，采用第一性原理研究考察了四十九种不同金属元素 M 固溶对 β 相氧化镓价带结构调控。研究发现，固溶体的结构和能带与 M 在元素周期表中的族数密切相关，共十四种固溶体（M 为第 3，9，13 和 15 族元素以及 Be、Cr 和 Fe）呈现半导体特性。其中 Rh, Ir, Sb 及 Bi 固溶体的价带顶能级较 β 相氧化镓上升了 1 电子伏以上。多数固溶体价带顶附近能带色散关系变得陡峭，特别是 M 为 13 和 15 族元素，对应空穴有效质量显著减小。该工作为 β 相氧化镓 p 型掺杂的实验研究提供了理论指导，基于减小的空穴质量和上升的价带顶能级，将易于实现氧化镓固溶体的 p 型导电，提升功率器件的性能。

图一、(a) 元素周期表，考察的固溶金属元素 M 如暗青色区域所示；（b）半导体型 β 相氧化镓固溶体的能带对齐图，左侧表示 M 替换八面体中心 Ga 位原子的固溶体 MGa-I，右侧为 M 替换四面体中心 Ga 位原子的固溶体 MGa-II。

图二、半导体型 MGa-I(M=Sc, Y, La, Cr, Co, Rh, Ir, Ga, In, Tl, Sb, Bi) 和 MGa-II(M=Be, Al, Fe) 固溶体的电导平均空穴有效质量，红色水平虚线表示 β 相氧化镓的空穴质量。

DOI: 

10.1021/acs.jpclett.4c03493