深圳平湖實驗室第四代材料器件課題組針對β相氧化鎵p型導電困難問題，在理論上考察了不同金屬元素固溶對β相氧化鎵能帶結構的調控機制。該成果「EfFect of Alloying Metal Elements on the Valence Band of β‑Ga2O3: A FIrst-Principles Study」 已在《The Journal of Physical Chemistry Letters》國際期刊上發表。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，李爽副教授為合作作者。
β相氧化鎵具有超寬的半導體帶隙和經濟成熟的製備方法，是當前高度關注的功率器件半導體材料。然而，由於其價帶能級低、空穴質量大等因素，氧化鎵的p型導電仍充滿挑戰。如何實現p型摻雜，製備具有更高雪崩能力和過流穩定性的氧化鎵p-n同質結是需要突破的重要方向。利用尺寸效應、缺陷調控、非平衡動力學及固溶提升價帶頂能級等方案是目前研究實現 β相氧化鎵 p 型摻雜的主要策略。
本工作針對固溶提升價帶頂能級策略，採用第一性原理研究考察了四十九種不同金屬元素M固溶對β相氧化鎵價帶結構調控。研究發現，固溶體的結構和能帶與M在元素周期表中的族數密切相關，共十四種固溶體（M為第3，9，13和15族元素以及Be、Cr和Fe）呈現半導體特性。其中Rh, Ir, Sb及Bi固溶體的價帶頂能級較β相氧化鎵上升了1電子伏以上。多數固溶體價帶頂附近能帶色散關係變得陡峭，特別是M為13和15族元素，對應空穴有效質量顯著減小。該工作為β相氧化鎵p型摻雜的實驗研究提供了理論指導，基於減小的空穴質量和上升的價帶頂能級，將易於實現氧化鎵固溶體的p型導電，提升功率器件的性能。
圖一、(a) 元素周期表，考察的固溶金屬元素M如暗青色區域所示；（b）半導體型β相氧化鎵固溶體的能帶對齊圖，左側表示M替換八面體中心Ga位原子的固溶體MGa-I，右側為M替換四面體中心Ga位原子的固溶體MGa-II
圖二、半導體型MGa-I(M=Sc, Y, La, Cr, Co, Rh, Ir, Ga, In, Tl, Sb, Bi)和MGa-II(M=Be, Al, Fe)固溶體的電導平均空穴有效質量，紅色水平虛線表示β相氧化鎵的空穴質量
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.4c03493
來源：深圳平湖實驗室
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