【会员论文】香港科技大学（广州）陈子强教授团队：通过超晶格设计实现κ-(Al, In) ₂O₃/Ga₂O₃数字合金的可调电子特性

日期：2026-04-03阅读：29

由香港科技大学（广州）陈子强教授团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为Tunable electronic properties of κ-(Al, In)₂O₃/Ga₂O₃ digital alloys via superlattice design（通过超晶格设计实现κ-(Al, In) ₂O₃/Ga₂O₃数字合金的可调电子特性）的文章。

背景

在氧化镓的各种相中，亚稳态正交相（κ-Ga₂O₃）因其具有极高的自发极化特性而备受关注。这种极化强度甚至超过了传统的 III 族氮化物，使得研究者能够在异质结界面处无需额外掺杂即可通过极化感应形成二维电子气（2DEG）。为了进一步优化器件性能，通过引入 Al 或 In 形成 κ-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 和 κ-(In_xGa_1-x)₂O₃ 合金来调节材料带隙和极化差异，是一种极具前景的策略。尽管实验上已经实现了部分合金薄膜的生长，但在高浓度 Al 或 In 掺杂的随机合金中，面临着严重的相分离和高密度穿透位错等瓶颈。在体异质外延生长过程中，如何维持亚稳态 κ 相的稳定性，并抑制其向热力学稳定的 β 相或竞争性的 α 相转变，是目前制备高质量氧化镓异质结的主要技术难题。

主要内容

基于 κ-Ga₂O₃ 的数字合金超晶格为高性能异质结器件提供了有前景的替代方案，可取代传统的随机合金。利用密度泛函理论，对具有不同单层（ML）厚度（1ML/3ML、2ML/2ML 和 3ML/1ML）的 (Al₂O₃/κ-Ga₂O₃) 和 (In₂O₃/κ-Ga₂O₃）超晶格进行了建模。计算结果表明，晶格参数和带隙可随层厚精确调节。引入 Al₂O₃ 会产生拉伸应变，并将带隙增宽至 6.65 eV；而富 In₂O₃ 的结构则表现出压缩应变，带隙缩小至 3.32 eV。元素投影能带结构证实了量子限制效应以及界面对电子态的贡献。值得注意的是，亚带间跃迁能可通过单层厚度进行调控，从而实现对电信兼容波长范围（约 1.55 μm）的吸收。能带对齐分析揭示了显著的导带偏移（Al₂O₃/Ga₂O₃ 中高达 3.71 eV），这对极化诱导的二维电子气（2DEG）的形成至关重要。本研究证明了 κ-Ga₂O₃ 数字合金超晶格在定制高电子迁移率晶体管和量子阱红外光电探测器中的可行性。

创新点

●研究提出采用数字合金超晶格作为随机合金的替代方案。这种结构通过将单层厚度控制在临界厚度以下，利用相干外延应变来稳定 κ 相并抑制相变，从而有效改善晶体和界面质量。

●研究首次发现通过改变超晶格中单层的厚度，可以精确控制子带间跃迁能量。这一特性使得该材料能够支持约 1.55 μm 波段的光吸收，为研制新型红外探测器提供了理论依据。

●能带对齐分析揭示了在 Al₂O₃/Ga₂O₃ 界面处存在显著的导带偏移，对于增强量子局域化效应和形成高性能 2DEG 至关重要。

结论

通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，研究了基于 κ-Ga₂O₃ 的数字合金超晶格的结构和电子性质。我们证明，通过调节 Al₂O₃ 和 In₂O₃ 插入层的单层厚度，可将带隙在宽范围内（3.32–6.65 eV）进行调谐，从而克服了随机三元合金典型的相分离难题。计算结果表明，子带间跃迁能可通过设计调控，以匹配电信波长（1.55 μm）。此外，Al₂O₃/κ-Ga₂O₃ 体系中可调的导带偏移（最高达 3.71 eV）凸显了其在高局域化二维电子气（2DEG）高电子迁移率晶体管（HEMT）应用中的潜力。这些结果确立了 κ 相数字合金作为下一代氧化物电子学和光电子学领域中可行且灵活的平台。

项目支持

本研究得到香港科技大学（广州）陈子强启动基金、广州市科技项目（2023A03J0003，2023A03J0013，2023A04J0310，2023A03J0152）、广东省教育厅（2024ZDZX1005）以及国家外国专家局（Y20240005）的支持。作者同时感谢深圳市科技创新委（20231115111658002）提供的资金支持。本研究得到了香港科技大学（广州）的材料表征及制备中心（MCPF）及绿色 e 材料实验室的支持。本研究还得到了国家重点人才计划配套资金（CZ118SC24007）、国家重大人才计划（CZ118SC25005）以及优秀青年科学家基金（海外）的支持（RK118QN24006 和 RK118QN25006）。本文中的数值计算使用了广州拓诺稀科技有限公司的计算资源。

图1. (001)超晶格的原子模型。Al₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格，其周期分别为 1ML/3ML、2ML/2ML、3ML/1ML（a）–（c）。具有相应厚度的 In₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格（d）–（f）。Ga、Al、In 和 O 原子分别用绿色、蓝色、紫色和红色球体表示。

图2. (001) Al₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格（a）和 (001) In₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格（b）的带隙能量。

图3. 具有不同层厚（1 ML/3 ML（a）、2 ML/2 ML（b）、 3 层/1 层 (c)，以及具有 1 层/3 层 (d)、2 层/2 层 (e) 和 3 层/1 层 (f) 结构的 In₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格。

图4. (001) Al₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格（a）和 (001) In₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格（b）的亚带能。

图5. (001) Al₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格（a）和 (001) In₂O₃/κ-Ga₂O₃ 超晶格（b）的能带对齐情况。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0317487