由西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授、馮倩教授的研究團隊在學術(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. 項目支持

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

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為一種超寬禁帶（UWBG）半導體材料，其禁帶寬度為 4.9 eV，擊穿場強高達 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）光電探測器和透明導電薄膜等領(lǐng)域。然而，阻礙其廣泛應(yīng)用的主要難題之一在于難以實現(xiàn) p 型導電性。

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

現(xiàn)在的方法是利用 Ga 空位（V_Ga）缺陷，其可充當受主。然而，V_Ga 通常具有較高的形成能，因而對 p 型導電的效果較差。近期的研究表明，由兩個 Ga 空位與一個 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 共摻雜如何通過降低形成能和淺化受主能級來增強 β-Ga₂O₃ 的 p 型導電性。

3. 主要內(nèi)容

項目研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 中的雙空位-間隙復(fù)合缺陷（記為 2V_Ga1-Ga_ic）以及通過共摻雜提高含 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型電導率。結(jié)果表明，單摻雜第 IV 族元素（Si、Ge 和 Sn）會降低 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能，但會提高受主能級。Ge 摻雜對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 原子會降低 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級，但會提高形成能。Mg 摻雜對受主能級的影響更好，與未摻雜情況相比，將 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級 ε(0/−1) 從價帶頂?shù)?0.22 eV 降低至 0.04 eV。兩種單摻雜的優(yōu)勢可以通過共摻雜來結(jié)合。Mg-Ge 共摻雜不僅降低了形成能，還使受主能級變淺，從而提高了空穴活化效率。因此，通過采用 Mg-Ge 共摻雜，可提高含 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型導電性，這一新方案為未來實現(xiàn) p 型 β-Ga₂O₃ 提供了新的方向。

4. 研究亮點

• 研究了五種復(fù)合缺陷的相對穩(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。

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

5. 總結(jié)

該團隊研究了 β-Ga₂O₃ 中的雙空位-間隙復(fù)合缺陷以及摻雜對雙空位-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，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。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，從而提高了 p 型電導率。