深圳平湖实验室在氧化镓理论研究方面取得重要进展

深圳平湖实验室第四代材料与器件课题组针对氧化镓价带能级低和p-型掺杂困难等问题，采用铑固溶方式理论开发了新型β相铑镓氧三元宽禁带半导体。该成果“Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors”已在《Advanced Electronic Materials》期刊上发表并受邀提供期刊封面设计。该文章也被收录到《Progress and Frontiers in Ultrawide bandgap Semiconductors》专题。文章第一作者为查显弧博士，通讯作者为张道华院士，共同作者包括万玉喜主任和李爽副教授。

半导体材料的功率特性（巴利加优值）与其带隙的立方成正比。氧化镓具有超宽的带隙（4.9电子伏）和成熟的制备方法，是功率器件的理想材料。然而，已有氧化镓器件的功率特性仍显著低于材料的理论极限，原因在于氧化镓价带顶能级低，能带色散关系平坦。杂质掺杂受主能级多在1电子伏以上，难以实现有效的p-型导电。目前氧化镓器件多基于肖特基势垒或与其他氧化物(如氧化镍)形成p-n异质结。较低的肖特基势垒及p-n异质结的高界面态限制了氧化镓器件的功率特性。如何实现氧化镓的p-型掺杂成为当下研究的一个关键问题。

图一、β相氧化镓晶体结构及能带结构图。

本工作基于第一性原理考察了铑固溶氧化镓结构。由于铑的原子半径与镓接近，铑固溶氧化镓具有较低的混合焓，固溶构型具有高稳定性。这种现象在实验上也得到了证实，采用Pt-Rh坩埚生长氧化镓晶体时，铑易进入氧化镓晶格。基于能带结构分析，铑固溶氧化镓仍是宽禁带半导体，其价带顶由铑和邻近的氧原子轨道杂化形成，对应能级较氧化镓价带顶显著上升。此外，价带顶附近能带色散曲率增加，这与沿[010]晶向离域的电子态密度密切相关，故该工作作者建议在氧化镓[010]晶向衬底外延生长铑固溶氧化镓外延层。具体地，铑固溶摩尔比浓度在0-50%范围内，固溶体的半导体带隙在3.77和4.10电子伏之间，其价带顶能级相较于氧化镓上升了至少1.35电子伏。铑摩尔比为25%时，其空穴有效质量仅为氧化镓的52.3%，这有助于实现p型掺杂，扩展材料应用范围和改进器件的性能。

图二、(a)和(b)分别为铑固溶摩尔比为25%时的晶体结构及能带结构图。(c) 铑固溶氧化镓β-(RhxGa1-x)2O3在不同摩尔浓度x下的能带对齐图。

来源：深圳平湖实验室

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