【会员论文】西安理工大学宽禁带半导体材料与器件研究团队---复合缺陷Vⁱₒ₍ɢₐ₎对β-Ga₂O₃/AlN异质结电学性质的影响

        由西安理工大学宽禁带半导体材料与器件研究团队的贺小敏老师团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 The impact of composite defects Vⁱ_O(Ga) on the electrical properties of β-Ga₂O₃/AlN heterojunctions（复合缺陷Vⁱ_O(Ga)对 β-Ga₂O₃/AlN 异质结电学性质的影响）的文章。

        本研究得到了国家自然科学基金委员会（Grant Nos. 62474139、62104190、61904146）、西安市科技计划项目（No. 2023JH-GXRC-0122）、陕西省自然科学基础研究计划（Program No. 2024JC-YBQN-0655）及陕西省杰出青年科学家基金（2021JC-25）的资金支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽的禁带宽度和较大的临界击穿场强等优异的材料特性，已成为下一代大功率电子器件最具前景的材料之一。然而，极低的热导率导致器件工作时产生显著的自热效应，严重制约了其实际应用性能与可靠性。为解决这一关键科学问题，将 β-Ga₂O₃ 与高热导率衬底材料集成构建异质结构被认为是最有效的热管理策略之一。其中，氮化铝（AlN）因其优异的热导性被视为 β-Ga₂O₃ 最理想的异质结材料之一。β-Ga₂O₃/AlN 异质结构在高电子迁移率晶体管（HEMT）功率器件中展现出突破性的应用潜力。然而器件的最终性能本质上受限于异质结界面的质量——界面处存在的空位及其复合缺陷会形成深能级陷阱中心，不仅增强载流子散射效应，更会显著降低二维电子气（2DEG）的面密度和迁移率。虽然目前对单一类型点缺陷的研究已取得一定进展，但对于实际工艺中更可能存在的复合缺陷对界面特性的影响机制，仍缺乏系统深入的认识。这一关键科学问题的解决对于实现高性能 β-Ga₂O₃/AlN 基电子器件具有重要意义。

        由于 β-Ga₂O₃ 和 AlN 之间存在显著的晶格失配与热膨胀系数差异，异质结界面处不可避免地会产生空位、间隙原子等结构缺陷。本研究基于密度泛函理论（DFT），系统研究了理想界面及含 O-Al(Vⁱ_O)、O-N(Vⁱ_O) 和 Ga-N(Vⁱ_Ga) 缺陷界面的电子特性。结果表明：复合缺陷会显著重构界面原子结构，其中 O-N(Vⁱ_O) 界面的结构畸变最为突出；形成能与结合能计算表明，复合缺陷比单点缺陷更易形成，其中 O-Al(Vⁱ_O) 界面缺陷形成能最低但稳定性较差，Ga-N(Vⁱ_Ga) 界面则表现出最优的热力学稳定性；电子结构分析揭示禁带中的缺陷态主要由β-Ga₂O₃ 侧的原子轨道贡献；Bader 电荷分析显示所有界面均存在从 AlN 指向 β-Ga₂O₃ 的电荷转移，形成内建电场，其中理想 O-N 界面具有最强的电荷转移能力，最有利于高浓度二维电子气（2DEG）的形成；O-N(Vⁱ_O) 缺陷界面相较于理想界面表现出最显著的电势差衰减。本研究表明复合缺陷会显著降低 2DEG 面密度，因此在材料外延生长过程中必须精确控制缺陷以调控器器件载流子输运性能。

        •采用密度泛函理论（DFT）方法，首次对 β-Ga₂O₃/AlN 异质结界面复合缺陷的电子特性进行了系统性研究。

        •研究揭示了复合缺陷相较于单一缺陷具有更低形成能的物理本质，并阐明了其对界面电学性能的影响。

        •研究结果为实验研究提供了理论指导，指出在外延生长过程中有效抑制复合缺陷的形成是实现高性能 β-Ga₂O₃/AlN 高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的关键因素。

        本文采用第一性原理计算方法，系统研究了 β-Ga₂O₃/AlN 异质结理想界面和含有复合缺陷界面的电子特性。复合缺陷的引入显著地改变了界面层间距（Δd），分别为 -0.02 Å、0.23 Å 和 0.09 Å，其中O-N(ViO)界面变化最为显著。从形成能与结合能角度来看，复合缺陷 O-Al(Vⁱ_O)、O-N(Vⁱ_O) 界面复合缺陷结合能为 -0.469 eV/Ų，-0.324 eV/Ų，相较于单一缺陷的结合能都有所增加，表明其界面处的原子间结合强度变弱，然而，这些复合缺陷更容易形成（由其形成能决定），其中 O-Al 界面最易形成复合缺陷，但稳定性较差，而 Ga-N 界面的复合缺陷稳定性最佳但形成难度最大。复合缺陷导致 O-Al 与 Ga-N 界面呈现部分金属特性，禁带中出现由 β-Ga₂O₃ 的 O 和 Ga 原子态密度导致的缺陷能级。在具有 O-Al(Vⁱ_O)、O-N(Vⁱ_O) 和 Ga-N(Vⁱ_Ga) 界面的异质结中，AlN 侧的静电势均低于 β-Ga₂O₃ 侧，因此电荷从 AlN 侧向 β-Ga₂O₃ 侧转移。这一现象与差分电荷计算中观察到的电荷转移方向一致。这种由 AlN 向 β-Ga₂O₃的电荷转移表明形成了从 AlN 指向 β-Ga₂O₃ 的内建电场，静电势差（∆Φ）越大，对应的势阱越深，电子积聚量也越大。由此可见，静电势分布间接反映了内建电场的强度。在复合缺陷界面中，O-N(Vⁱ_O) 界面表现出最大的电势差，但其较理想 O-N 界面降低了 6.68 eV，这意味着电荷转移量减少，从而削弱了内建电场的强度。相应地，电荷转移能力减弱，β-Ga₂O₃ 侧形成的 2DEG 密度显著降低。平均静电势差（∆Ep）的计算结果同样说明了这个问题。其中理想 O-N 界面电荷转移量为 0.86 e，电荷转移能力最大，最有利于高密度二维电子气（2DEG）的形成，O-Al(Vⁱ_O) 界面从 AlN 向 β-Ga₂O₃ 转移 0.11 个电子，O-N(Vⁱ_O) 界面转移 0.57 个电子，Ga-N(Vⁱ_Ga) 界面转移 0.04 个电子。该转移量级顺序与理想界面一致，但与理想界面相比，复合缺陷的引入导致界面两侧电子转移明显减少。尽管复合缺陷使电荷转移量降低，削弱了内建电场强度和 2DEG 形成潜力，但 O-N(Vⁱ_O) 界面仍保持最优的电荷转移性能。本研究从原子电子尺度揭示了复合缺陷对 β-Ga₂O₃/AlN 异质结界面电子特性的调控机制，为开发基于该异质结构的高性能 HEMT 器件提供了理论依据。

图1. 复合缺陷模型： (a) O–Al(Vⁱ_O)，(b) O–N(Vⁱ_O)，(c) Ga–N(Vⁱ_Ga)，(d) β-Ga₂O₃ (100) 表面结构和 AlN (0001) 表面结构。

图2. 理想异质结（箭头左侧）与含复合缺陷异质结（箭头右侧）的弛豫比较： (a) O–Al，(b) O–N，(c) Ga–N，(d) 复合缺陷与理想异质结之间层间距（Å）的相对变化。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/addc14