近年來，氧化鎵（Ga₂O₃）半導體受到世界各國科研和產業界的普遍關注。氧化鎵具有4.9 eV的超寬禁帶，高于第三代半導體碳化硅（SiC）的3.2 eV、氮化鎵（GaN）的3.39 eV。更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，因此氧化鎵具有耐高壓（極強的臨界場強）、高效率（更低導通電阻）、大功率、抗輻照等特性。在制造工藝方面，氧化鎵晶體可以通過成熟的熔融法生長，相對第三代半導體SiC、GaN，可大幅度降低生產成本。基于氧化鎵半導體的功率電子器件可在新能源汽車、充電樁、軌道交通、電機控制等領域具有潛在應用。基于氧化鎵的深紫外光電探測器則在導彈預警、高壓電網電暈檢測、臭氧空洞監測等領域展現出重要的潛力。因此，氧化鎵也和金剛石、氮化鋁（AlN）等超寬禁帶半導體被稱為第四代半導體。

圖1. 半導體材料的發展歷程和半導體功率電子器件的應用

制備Ga₂O₃半導體光電器件需要對Ga₂O₃的電學性質進行精確調控，其本質是通過引入摻雜實現對Ga₂O₃電子結構的調控。就Ga₂O₃的n型摻雜而言，如何選擇高效摻雜劑是Ga₂O₃外延薄膜制備過程中的關鍵問題。為解決上述問題，廈門大學張洪良團隊基于同步輻射光源的硬X射線光電子能譜（HAXPES）和雜化密度泛函理論（Hybrid DFT）計算，探究了IV族摻雜劑對Ga₂O₃電子結構的影響規律，提出了Si共振摻雜機制的理論模型，明確Si是Ga₂O₃的n型摻雜的最優摻雜劑。

研究團隊利用Si、Sn摻雜實現了Ga₂O₃載流子濃度的大范圍調控，通過1% Si摻雜實現了目前國際上最高的載流子濃度 2.6×10²⁰ cm^-3和最高的導電率 2520 S/cm。團隊利用基于同步輻射光源的高分辨硬X射線光電子能譜系統研究了摻雜對氧化鎵電子結構的影響規律（圖2）。進一步結合DFT計算，團隊提出了Si共振摻雜理論模型的機制：證明了由于Si 3s態位于導帶底上方約2 eV處，Ga 4s態構成的導帶與Si 3s摻雜態之間缺少軌道雜化，因而Ga₂O₃導帶底邊緣幾乎不受摻雜劑Si電子態的干擾，Ga₂O₃也仍可保持較小的有效質量，進而保證其在高載流子濃度下的較高遷移率。而同為IV族摻雜劑的Ge和Sn，其對應的Ge 4s和Sn 5s態與Ga 4s態發生強烈雜化，導致導帶邊緣變得平坦、電子有效質量增加、電子遷移率下降（圖3）。

圖2.（a）同步輻射光源的硬X-射線光電子能譜。（b）帶隙重整化效應能帶結構示意圖。（c）基于拋物線和非拋物線模型載流子統計數據得出的Burstein-Moss移動（?BM）、帶隙重整化效應（?RN）和由HAXPES測得的帶隙重整化效應[?RN (HAXPES)]、DFT計算值[?RN (DFT)]與載流子濃度的關系。

圖3. DFT計算得到的未摻雜及不同IV族（Si、Ge、Sn）摻雜Ga₂O₃的態密度圖

簡而言之，團隊研究工作通過Si摻雜實現目前國際上最高載流子濃度的Ga₂O₃摻雜，結合高分辨率同步輻射硬X射線光電子能譜和DFT理論計算闡明了Si是Ga₂O₃最優選的n型摻雜劑，并提出Si共振摻雜機制的理論模型。研究結果為導電氧化鎵單晶襯底制備和氧化鎵薄膜摻雜電學性質調控提供了重要理論和實驗基礎。相關工作以“Direct determination of band-gap renormalization in degenerately doped ultrawide band gap β-Ga₂O₃ semiconductor”為題發表在凝聚態物理知名期刊Physical Review B上。廈門大學張洪良課題組博士生張佳業和倫敦大學學院博士生Joe Willis為本論文共同第一作者。本工作得到了國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金的資助和支持。

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

張洪良教授

張洪良教授，2012年獲得牛津大學無機化學博士學位，2008年新加坡國立大學碩士學位，2003年山東大學本科。2012-2017年先后在美國西北太平洋國家實驗室和劍橋大學從事博士后工作。研究方向為寬禁帶氧化物半導體薄膜外延、能帶調控及光電探測器件，迄今在Phys. Rev. Lett., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Adv. Mater.，等發表論文150余篇，申請專利11項。主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金委面上基金、企業合作研發等項目8項。曾獲國家高層次“青年”人才、劍橋大學Herchel Smith Research Fellowship、臺灣積體電路制造公司（TMSC）最佳國際研究生科研獎。

張洪良教授課題組主頁：https://khlzhang.xmu.edu.cn/

（來源：研究課題組）