【会员论文】JAC丨西电郝跃院士、张进成教授团队：基于极性驱动的界面工程理论研究及其在高性能 β-Ga₂O₃ 光电子器件中的应用

        由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为Theoretical study of polarity-driven interfacial engineering for high-performance β-Ga₂O₃ optoelectronic devices（基于极性驱动的界面工程理论研究及其在高性能 β-Ga₂O₃ 光电子器件中的应用）的文章。

        作为超宽带隙半导体（~4.9 eV），β-Ga₂O₃ 具有极高的临界击穿电场、高巴利加优值以及优异的热和化学稳定性。得益于低成本的单晶生长技术，β-Ga₂O₃ 已被广泛应用于航空航天等严酷环境，以及日盲紫外探测器。尽管潜力巨大，但天然 β-Ga₂O₃ 晶体存在载流子迁移率低、激子复合强以及热导率差等固有缺点，导致其实际器件性能仍未达到理论预期。通过构建 β-Ga₂O₃/2D 材料异质结，可以突破晶格匹配限制，通过能带对准调制和界面电荷传输优化来提升性能，例如此前在石墨烯/氧化镓异质结中已实现光暗电流比提升 6 个数量级。与传统 2D 材料不同，Janus 材料通过表面离子交换引入了本征极性，其内部形成的内建电场可为光生电子-空穴对提供极化传输路径，对光响应性能至关重要。Janus III 族硫属化物（Janus-MNXY）具有极高的空穴迁移率和非线性光学响应，但关于其与 β-Ga₂O₃ 组成的异质结中“极性驱动界面传输”的具体机制，目前仍缺乏深入的理论揭示和指导。

        利用本征极性是提升 β-Ga₂O₃/2D 异质结性能的有效途径，但极性驱动界面输运的机制尚未阐明。本文通过理论计算研究了具有不同本征极性的 β-Ga₂O₃/Janus III 族硫属化物（β-Ga₂O₃/Janus-MNXY，M/N=Ga, In； X/Y 双键 S, Se, Te）异质结的电子结构，发现其界面性能由极性的类型、方向及强度共同决定。外部硫属素元素引入的极性形成 II 型能带对齐，而内部金属极性则产生 I 型对齐。当异质结的固有电场(E_in)远离界面时，更大的真空能级阶跃和更强的能带弯曲可显著提升器件稳定性、载流子传输效率及光吸收能力，且这些特性均随 E_in 增强而强化。引入的固有极性促进了 Janus-MNXY 层内的次级载流子分离与转移，从而为提升 β-Ga₂O₃ 器件性能提供了关键机制。本研究揭示了极性驱动界面输运的根本机制，为设计高性能 β-Ga₂O₃ 光电子器件提供了实用指南。

        ● 两种方法在 Janus-MNXY 单层中引入了固有极性。

        ● β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结的能带对齐与极性引入相关。

        ● 界面性质受固有极性的方向和强度调制。

        ● 机制是固有极性诱导的界面处真空能带弯曲。

        通过第一性原理计算系统性地研究了具有不同本征极性的 β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结的结构、电子及光学特性。当发现 Janus-MNXY 的内在极性由外部卤素元素 X/Y（S/Se或S/Te）引入时，该异质结构呈现 II 型带隙排列；而当内在极性由内部金属元素 M/N（Ga/In）决定时，则呈现 I 型带隙排列。与界面处存在 E_in 点的异质结构相比，远离界面处存在 E_in 点的异质结构具有更高的稳定性、更强的电荷传输效率和更高的光吸收率，且随着内在极性强度的增强，这种趋势进一步得到改善。其根本机制在于 Janus-MNXY 单层中的内生极性方向与强度直接影响 β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结界面处的能带水平、能带弯曲及电荷转移。在 β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结构界面引入内在极性，为 Janus-MNXY 层内的次级载流子分离与传输提供了额外驱动力，这对提升 Ga₂O₃ 基器件性能至关重要。研究的发现不仅揭示了 β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结构中极性驱动的界面传输机制，还为设计高性能 β-Ga₂O₃ 光电子器件提供了有效途径。

        本研究得到国家自然科学基金（62404170, 62274127, 62421005），中国国家重点研发计划（2021YFA0715600, 2021YFA0717700），中国博士后科学基金（2023TQ0255）， 中国青年科学家基金博士后项目（GZB20230562）、广东省基础与应用基础研究专项资金（2024B1515120035）、中央高校基本科研业务费专项资金。本文数值计算工作在西安电子科技大学高性能计算中心上完成。

图1. Janus-MNXY 单层结构的 (a) 示意模型，(b) 平面平均电荷密度，(c) 静电势，(d) ΔV_in 与 E_in，(e) 局部波函数分布，(f) 载流子有效质量与 E_xb。(d) 原始孤立 Janus-MNXY 单层与 β-Ga₂O₃ 表面的能带分布示意图。

图2. (a) β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结的结构模型，(b) 结合能。

图3. 分别展示 (a) β-Ga₂O₃/GaS、(b) β-Ga₂O₃/Ga₂SSe、(c) β-Ga₂O₃/Ga₂STe、(d) β-Ga₂O₃/In₂STe 以及 (e) β-Ga₂O₃/GaInS₂ 异质结的示意性能带对齐。(b-e) 图中上、下两部分分别表示界面处 E_in 点与远离界面处的 E_in 点。

图4. 分别展示了(a) β-Ga₂O₃/Ga₂O₃SSe、(b) β-Ga₂O₃/Ga₂O₃STe、(c) β-Ga₂O₃/In₂O₃Ste 以及 (d) β-Ga₂O₃/GaInS₂O₃ 异质结的投影态密度 (PDOS)。上图（蓝色）和下图（红色）分别表示界面处 E_in 点与远离界面处的 E_in 点分布。(e) 不同 β-Ga₂O₃/JanusMNXY 异质结的能带偏移关系。

图5. (a) β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结的平面平均静电势（上图）与电荷密度差积分（下图），(b) Bader电荷，(c) 隧穿势垒，(d) 隧穿概率，以及 (e) 示意性能带结构。

图6. β-Ga₂O₃/Janus-MNXY 异质结的光吸收曲线，其中 (a-b) 中 E_in 点分别指向界面和远离界面。(d) β-Ga₂O₃/In₂Ste 异质结的光吸收比较。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.187288