由西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授、馮倩教授的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Computational Materials Science 發(fā)布了一篇名為 First-principles study of Mg-Ge co-doping to realize p-type β-Ga₂O₃ containing divacancy-interstitial complex defects（摻雜鎂-鍺以實(shí)現(xiàn)含有雙空位-間隙復(fù)合缺陷的 p 型 β-Ga₂O₃ 的第一性原理研究）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（NSFC）的資助，Grants No. U21A20503，61974112，61974115。此外，項(xiàng)目研究還得到了電子元器件可靠性物理及應(yīng)用技術(shù)科學(xué)與技術(shù)的資助。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為一種超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為 4.9 eV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá) 8 MV/cm，巴利加優(yōu)值為 3444，非常適合用于高功率器件、深紫外（DUV）光電探測(cè)器和透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域。然而，阻礙其廣泛應(yīng)用的主要難題之一在于難以實(shí)現(xiàn) p 型導(dǎo)電性。

雖然通過(guò)摻入 Si 和 Sn 已成功制備出 n 型的 β-Ga₂O₃，使載流子濃度達(dá)到 10¹⁵-10²⁰ cm^-3，但由于深受主能級(jí)和高缺陷形成能的存在，p 型摻雜仍難以實(shí)現(xiàn)。使用 Zn、Mg 和 N 元素引入 p 型導(dǎo)電性的嘗試遇到了高電阻率和深受主能級(jí)的問(wèn)題，阻礙了空穴的激活。

現(xiàn)在的方法是利用 Ga 空位（V_Ga）缺陷，其可充當(dāng)受主。然而，V_Ga 通常具有較高的形成能，因而對(duì) p 型導(dǎo)電的效果較差。近期的研究表明，由兩個(gè) Ga 空位與一個(gè) Ga 間隙原子耦合而成的雙空位 - 間隙復(fù)合缺陷（2V_Ga1-Ga_ic）可能是一種更穩(wěn)定的受主復(fù)合體。

本研究探討了這些復(fù)合缺陷的形成能和電子特性，探究了 Mg-Ge 共摻雜如何通過(guò)降低形成能和淺化受主能級(jí)來(lái)增強(qiáng) β-Ga₂O₃ 的 p 型導(dǎo)電性。

3. 主要內(nèi)容

項(xiàng)目研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 中的雙空位-間隙復(fù)合缺陷（記為 2V_Ga1-Ga_ic）以及通過(guò)共摻雜提高含 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型電導(dǎo)率。結(jié)果表明，單摻雜第 IV 族元素（Si、Ge 和 Sn）會(huì)降低 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能，但會(huì)提高受主能級(jí)。Ge 摻雜對(duì)形成能的影響最為顯著，與未摻雜情況相比，將 2VGa1-Ga_ic 的形成能從 4.58 eV 降至 3.61 eV。相比之下，單摻雜 Mg 和 Zn 原子會(huì)降低 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級(jí)，但會(huì)提高形成能。Mg 摻雜對(duì)受主能級(jí)的影響更好，與未摻雜情況相比，將 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級(jí) ε(0/−1) 從價(jià)帶頂?shù)?0.22 eV 降低至 0.04 eV。兩種單摻雜的優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)共摻雜來(lái)結(jié)合。Mg-Ge 共摻雜不僅降低了形成能，還使受主能級(jí)變淺，從而提高了空穴活化效率。因此，通過(guò)采用 Mg-Ge 共摻雜，可提高含 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型導(dǎo)電性，這一新方案為未來(lái)實(shí)現(xiàn) p 型 β-Ga₂O₃ 提供了新的方向。

4. 研究亮點(diǎn)

• 研究了五種復(fù)合缺陷的相對(duì)穩(wěn)定性。

• Si, Ge 和 Sn 單摻雜可降低復(fù)合缺陷系統(tǒng)的形成能。

• Mg 和 Zn 單摻雜可降低復(fù)合缺陷體系的受主能級(jí)。

• Mg-Ge 共摻雜可實(shí)現(xiàn)復(fù)合缺陷體系的 p 型摻雜。

5. 總結(jié)

該團(tuán)隊(duì)研究了 β-Ga₂O₃ 中的雙空位-間隙復(fù)合缺陷以及摻雜對(duì)雙空位-間隙復(fù)合缺陷性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在五種雙空位-間隙復(fù)合缺陷中，2V_Ga1-Ga_ic 是最穩(wěn)定的構(gòu)型。單摻雜 Si、Ge 和 Sn 原子顯著降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能。其中，Ge 摻雜效果最佳，尤其是在富氧條件下，Ge 摻雜的 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能降低至 3.61 eV。單摻雜 Mg 和 Zn 原子顯著降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級(jí)，其中 Mg 摻雜效果更佳。Mg-Ge 共摻雜結(jié)合了 Ge 摻雜和 Mg 摻雜的優(yōu)點(diǎn)。這種共摻雜不僅降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能，還降低了其受主能級(jí)，從而提高了 p 型電導(dǎo)率。