深圳平湖實驗室最新進展：β銠合金氧化鎵p型導(dǎo)電的可行性研究

由深圳平湖實驗室的研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Applied Physics 發(fā)布了一篇名為 Feasibility of p-type conduction in beta rhodium alloyed gallium oxide（β銠合金氧化鎵中p型導(dǎo)電的可行性）的文章。查顯弧博士是該文的第一作者，萬玉喜主任和張道華院士是該文通訊作者，南京理工大學(xué)李爽副教授及深圳平湖實驗室劉妍博士、楊茂謹(jǐn)、焦騰博士、陳嘉祥博士和丁祥金博士為共同作者。

一、 項目支持

深圳市平湖實驗室項目（Grant No. 224110）提供的資金支持，以及深圳國家超級計算中心提供的計算資源。

二、 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是一種性能優(yōu)異的超寬禁帶半導(dǎo)體，在功率器件領(lǐng)域備受關(guān)注。 但其難以實現(xiàn)有效的 p 型導(dǎo)電，這極大地限制了其在雙極型器件（如 p-n 結(jié)）中的應(yīng)用，是該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。根據(jù)化學(xué)調(diào)制價帶理論，通過引入具有與氧 2p 軌道能量相近的陽離子軌道，可以有效提升價帶頂（VBM）的位置，從而使受主能級變淺，實現(xiàn)p型摻雜。前期研究預(yù)測，在 β-Ga₂O₃ 中合金化銠（Rh）形成的 β-(Rh_xGa_1−x)₂O₃ 材料，不僅能保持超寬禁帶，還能將價帶頂（VBM）提升超過 1.35 eV，并減小空穴有效質(zhì)量，這為實現(xiàn) p 型導(dǎo)電提供了理論可能性。然而，能否在這種新型合金中找到合適的受主摻雜劑并獲得良好的空穴遷移率，是驗證其 p 型導(dǎo)電可行性的關(guān)鍵，需要進一步的理論研究。

三、 主要內(nèi)容

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其超寬帶隙和成熟的合成方法，在功率器件領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，β-Ga₂O₃ 缺乏 p 型導(dǎo)電性限制了器件性能。近期研究預(yù)測，銠合金 β-Ga₂O₃（即 β-(Rh_xGa_1−x)₂O₃ 具有升高的價帶頂（VBM）和減小的空穴質(zhì)量。本研究探索在 β-(Rh_xGa_1−x)₂O₃ 中實現(xiàn) p 型摻雜的可行性。通過計算發(fā)現(xiàn)，Li、Na 和 Cu 摻雜在 β-(Rh_0.25Ga_0.75)₂O₃ 中的受主能級低于 0.4 eV。價帶頂?shù)纳撸由蠐诫s元素軌道與價帶頂軌道間的弱相互作用，對實現(xiàn)淺能級受主起到了關(guān)鍵作用。在空穴濃度為 10¹⁷cm⁻³ 且室溫條件下，β-(Rh_0.5Ga_0.5)₂O₃ 的空穴遷移率可達 10.7 cm² V⁻¹ s⁻¹，高于多數(shù) p 型金屬氧化物的數(shù)值。此外，空穴遷移率呈現(xiàn)各向異性特征，其數(shù)值主要受極性光學(xué)聲子散射限制。本研究證實 β-(Rh_xGa_1−x)₂O₃ 合金實現(xiàn) p 型摻雜具有可行性，基于該材料構(gòu)建的 p-n 同質(zhì)結(jié)有望顯著拓展合金氧化物的應(yīng)用領(lǐng)域。

四、 總結(jié)

本研究深入探討了 β-(Rh_xGa_1−x)₂O₃ 合金中 p 型導(dǎo)電的可行性。針對 β-(Rh_0.25Ga_0.75)₂O₃ 與 β-(Rh_0.5Ga_0.5)₂O₃ 體系，我們研究了潛在的p型摻雜策略，并測定了 0≤x≤0.5 范圍內(nèi) β-(Rh_xGa_1−x)₂O₃ 的空穴遷移率。針對 p 型摻雜方案，考慮了 Li、Na、K、Be、Mg、Ca、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg 及 Ga 空位等摻雜情形。價帶頂能級與摻雜元素的鍵合強度對受主能級大小具有決定性影響。在相同位置下，特定摻雜劑的受主能級隨價帶頂能級升高而降低。在 β-(Rh_0.5Ga_0.5)₂O₃ 中，Mg 摻雜劑的受主能級測定值為 0.543 eV。位于八面體 Ga 位點的 Li 和 Na 摻雜劑受主能級顯著低于位于四面體 Ga 位點數(shù)值，其值分別為 0.388 eV 和 0.381 eV。這些較低的受主能級可歸因于摻雜劑軌道與價帶頂軌道之間的相互作用較弱。就空穴遷移率而言，β-(Rh_xGa_1−x)₂O₃ 合金通常比 β-Ga₂O₃ 具有更高的數(shù)值。值得注意的是，β-(Rh_0.25Ga_0.75)₂O₃ 和 β-(Rh_0.5Ga_0.5)₂O₃ 尤其如此。在室溫下，β-(Rh_0.5Ga_0.5)₂O₃ 的空穴遷移率在空穴濃度為 10¹⁷ cm⁻³ 時可達 10.7 cm² V⁻¹ s⁻¹，高于大多數(shù) p 型金屬氧化物的數(shù)值。該空穴遷移率呈現(xiàn)顯著各向異性，其數(shù)值受極性光學(xué)聲子散射限制?？傮w而言，與 β-Ga₂O₃ 相比，β-(Rh_xGa_1 − x)₂O₃ 合金通常具有更淺的受主能級和更高的空穴遷移率。預(yù)測特性表明，在 β-(Rh_xGa_1 − x)₂O₃ 合金中實現(xiàn) p 型導(dǎo)電確實可行。鑒于其超寬帶隙特性，這些合金在高功率器件、深紫外光電子學(xué)、CMOS 技術(shù)及其他領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。