厦大张洪良教授团队在宽禁带氧化镓半导体掺杂电子结构研究取得进展

近年来，氧化镓（Ga2O3）半导体受到世界各国科研和产业界的普遍关注。氧化镓具有4.9 eV的超宽禁带，高于第三代半导体碳化硅（SiC）的3.2 eV、氮化镓（GaN）的3.39 eV。更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压（极强的临界场强）、高效率（更低导通电阻）、大功率、抗辐照等特性。在制造工艺方面，氧化镓晶体可以通过成熟的熔融法生长，相对第三代半导体SiC、GaN，可大幅度降低生产成本。基于氧化镓半导体的功率电子器件可在新能源汽车、充电桩、轨道交通、电机控制等领域具有潜在应用。基于氧化镓的深紫外光电探测器则在导弹预警、高压电网电晕检测、臭氧空洞监测等领域展现出重要的潜力。因此，氧化镓也和金刚石、氮化铝（AlN）等超宽禁带半导体被称为第四代半导体。

图1. 半导体材料的发展历程和半导体功率电子器件的应用。

制备Ga2O3半导体光电器件需要对Ga2O3的电学性质进行精确调控，其本质是通过引入掺杂实现对Ga2O3电子结构的调控。就Ga2O3的n型掺杂而言，如何选择高效掺杂剂是Ga2O3外延薄膜制备过程中的关键问题。为解决上述问题，厦门大学张洪良团队基于同步辐射光源的硬X射线光电子能谱（HAXPES）和杂化密度泛函理论（Hybrid DFT）计算，探究了IV族掺杂剂对Ga2O3电子结构的影响规律，提出了Si共振掺杂机制的理论模型，明确Si是Ga2O3的n型掺杂的最优掺杂剂。

图2.（a）同步辐射光源的硬X-射线光电子能谱。（b）带隙重整化效应能带结构示意图。（c）基于抛物线和非抛物线模型载流子统计数据得出的Burstein-Moss移动（∆BM）、带隙重整化效应（∆RN）和由HAXPES测得的带隙重整化效应[∆RN (HAXPES)]、DFT计算值[∆RN (DFT)]与载流子浓度的关系。

研究团队利用Si、Sn掺杂实现了Ga2O3载流子浓度的大范围调控，通过1% Si掺杂实现了目前国际上最高的载流子浓度 2.6×1020 cm-3和最高的导电率 2520 S/cm。团队利用基于同步辐射光源的高分辨硬X射线光电子能谱系统研究了掺杂对氧化镓电子结构的影响规律（图2）。进一步结合DFT计算，团队提出了Si共振掺杂理论模型的机制：证明了由于Si 3s态位于导带底上方约2 eV处，Ga 4s态构成的导带与Si 3s掺杂态之间缺少轨道杂化，因而Ga2O3导带底边缘几乎不受掺杂剂Si电子态的干扰，Ga2O3也仍可保持较小的有效质量，进而保证其在高载流子浓度下的较高迁移率。而同为IV族掺杂剂的Ge和Sn，其对应的Ge 4s和Sn 5s态与Ga 4s态发生强烈杂化，导致导带边缘变得平坦、电子有效质量增加、电子迁移率下降（图3）。

图3. DFT计算得到的未掺杂及不同IV族（Si、Ge、Sn）掺杂Ga2O3的态密度图。

简而言之，本团队研究工作通过Si掺杂实现目前国际上最高载流子浓度的Ga2O3掺杂，结合高分辨率同步辐射硬X射线光电子能谱和DFT理论计算阐明了Si是Ga2O3最优选的n型掺杂剂，并提出Si共振掺杂机制的理论模型。研究结果为导电氧化镓单晶衬底制备和氧化镓薄膜掺杂电学性质调控提供了重要理论和实验基础。

相关工作以“Direct determination of band-gap renormalization in degenerately doped ultrawide band gap β-Ga2O3semiconductor”为题发表在凝聚态物理知名期刊Physical Review B上。厦门大学张洪良课题组博士生张佳业和伦敦大学学院博士生Joe Willis为本论文共同第一作者。本工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助和支持。

张洪良教授课题组主页：https://khlzhang.xmu.edu.cn

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.205305

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