深圳平湖实验室第四代材料器件课题组针对β相氧化镓p型导电困难问题，在理论上考察了不同金属元素固溶对β相氧化镓能带结构的调控机制。该成果“EfFect of Alloying Metal Elements on the Valence Band of β‑Ga2O3: A FIrst-Principles Study” 已在《The Journal of Physical Chemistry Letters》国际期刊上发表。查显弧博士是该文的第一作者，万玉喜主任和张道华院士是该文通讯作者，李爽副教授为合作作者。
β相氧化镓具有超宽的半导体带隙和经济成熟的制备方法，是当前高度关注的功率器件半导体材料。然而，由于其价带能级低、空穴质量大等因素，氧化镓的p型导电仍充满挑战。如何实现p型掺杂，制备具有更高雪崩能力和过流稳定性的氧化镓p-n同质结是需要突破的重要方向。利用尺寸效应、缺陷调控、非平衡动力学及固溶提升价带顶能级等方案是目前研究实现 β相氧化镓 p 型掺杂的主要策略。
本工作针对固溶提升价带顶能级策略，采用第一性原理研究考察了四十九种不同金属元素M固溶对β相氧化镓价带结构调控。研究发现，固溶体的结构和能带与M在元素周期表中的族数密切相关，共十四种固溶体（M为第3，9，13和15族元素以及Be、Cr和Fe）呈现半导体特性。其中Rh, Ir, Sb及Bi固溶体的价带顶能级较β相氧化镓上升了1电子伏以上。多数固溶体价带顶附近能带色散关系变得陡峭，特别是M为13和15族元素，对应空穴有效质量显著减小。该工作为β相氧化镓p型掺杂的实验研究提供了理论指导，基于减小的空穴质量和上升的价带顶能级，将易于实现氧化镓固溶体的p型导电，提升功率器件的性能。
图一、(a) 元素周期表，考察的固溶金属元素M如暗青色区域所示；（b）半导体型β相氧化镓固溶体的能带对齐图，左侧表示M替换八面体中心Ga位原子的固溶体MGa-I，右侧为M替换四面体中心Ga位原子的固溶体MGa-II
图二、半导体型MGa-I(M=Sc, Y, La, Cr, Co, Rh, Ir, Ga, In, Tl, Sb, Bi)和MGa-II(M=Be, Al, Fe)固溶体的电导平均空穴有效质量，红色水平虚线表示β相氧化镓的空穴质量
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.4c03493
来源：深圳平湖实验室
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