【会员论文】西安电子科技大学---β-Ga₂O₃中的锰：具有较大非辐射电子捕获截面的深度受体

        由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Journal of Physics D: Applied Physics 发布了一篇名为 Manganese in β-Ga₂O₃: a deep acceptor with a large nonradiative electron capture cross-section（β-Ga₂O₃ 中的锰：具有较大非辐射电子捕获截面的深度受体）的文章。

        该项研究得到国家自然科学基金(Grant Nos. 62004153、62104186、U21A20501、12374396和62334004）和中央高校基本科研业务费（Grant No. XJSJ23050）的资助。作者特别感谢Quantum量子科学仪器贸易(北京)有限公司的指导。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体，具有低成本熔融生长、高击穿场强等优点，在电力电子、光电子器件（如日盲探测器）等领域应用前景广阔。过渡金属（Transition metals, TMs）不仅是 β-Ga₂O₃ 单晶中常见的残留杂质，也可作为掺杂剂用于调控材料性能，制造半绝缘衬底、发光器件、忆阻器或自旋电子器件等。前对 β-Ga₂O₃ 中 TM 杂质的研究主要集中在 Fe 和 Ti，对锰（Mn）的研究相对有限且不够全面。 Mn 在 β-Ga₂O₃ 中表现出独特的价值：可作为深受主补偿 n 型电导；产生不同于 Fe/Cr 的橙色发光；其 Mn³⁺/Mn²⁺ 价态转变可用于忆阻器；还表现出复杂的磁学特性。理解 Mn 杂质相关的载流子俘获（包括非辐射和辐射过程）和复合机制，对于分析其在光电器件中的作用（如影响响应速度）、在电子器件中的影响（如补偿效应、阈值电压稳定性）以及在忆阻器、自旋电子器件中的机理至关重要。

        过渡金属不仅作为 β-Ga₂O₃ 单晶中的残余杂质存在，同时在用于功率电子学、光电子学和存储器件的掺杂衬底与外延薄膜中也展现出重要潜力。当前研究主要集中于 Fe 和 Ti，而对 Mn 的系统研究仍较为有限。该研究采用混合泛函的第一性原理计算方法，系统研究了 Mn 掺杂在 β-Ga₂O₃ 中的形成能、热力学跃迁能级以及非辐射俘获系数。为提高计算精度，研究团队确保了本征与 Mn 掺杂超胞结构均满足广义 Koopmans 定理，并采用了诸如准确识别缺陷基态结构和不依赖经验介电常数的镜像电荷修正等先进方法。揭示了取代型 Mn 杂质与本征缺陷的形成能随费米能级位置的变化关系，指出 Mn 在八面体 Ga 位点在富氧条件下更为稳定。研究表明，Mn 掺杂于四面体位点时，其引入的电荷态跃迁能级(0/–)位于导带底下方 0.68 eV，比先前报道的结果更浅。与价带空穴相比，中性 Mn 杂质更容易非辐射性地俘获导带电子，其俘获截面在室温下约为 10⁻¹¹ cm²，明显大于 Fe 和 Ti 等常见过渡金属杂质。这表明 Mn 可能成为光电子与电子器件中有效的快速电子复合中心。此外，文章还简要讨论了 Mn 离子在电子俘获过程中的电荷态变化，这对电阻式存储器和自旋电子器件的应用具有重要意义。

        基于第一性原理计算，全面研究了 β-Ga₂O₃ 中本征缺陷和 Mn 杂质的电子结构、形成能、缺陷能级和载流子俘获特性。在计算技术方面，使用杂化泛函进行结构优化和自洽计算时，混合参数和筛选参数分别设置为 0.29 和 0，以确保主体材料的带隙接近实验值，同时满足含本征缺陷超晶胞的 gKT 条件。在此基础上，对于相应的掺锰 β-Ga₂O₃ 计算，进一步应用了 HSE06 + V_W 校正，其中 w 分别设为 -4.0 eV 和 -2.0 eV 以满足 gKT 条件。采用 SNB 方法打破超晶胞内的局部结构对称性，生成多个构型进行弛豫。优化这些构型后，确定了总能量最低的基态构型，其中大多数构型源自对未受扰动的高对称构型的优化。这种方法还确保了使用 CDM 方法计算缺陷声子谱的准确性。引入了一种不依赖于经验介电常数的镜像电荷校正方法，基于考虑自旋极化的电子屏蔽模型来计算由于有限超胞效应引起的校正能量。

图 1.采用的块状 β-Ga₂O₃ 原始单元晶胞（a）和 1×4×2 超晶胞（b）示意图。在超晶胞中，标注了两种晶体学上不同类型的 Ga 位点、三种类型的 O 点以及（分裂的）间隙 Mn_ia、Mn_ib、Mn_ic 和 O_i。

图 2. 使用范围分离 HSE 混合函数计算的块状 β-Ga₂O₃ 电子能带结构（a）和状态密度（b）。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6463/adca42