近年來(lái)，氧化鎵（Ga₂O₃）半導(dǎo)體受到世界各國(guó)科研和產(chǎn)業(yè)界的普遍關(guān)注。氧化鎵具有4.9 eV的超寬禁帶，高于第三代半導(dǎo)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(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓（極強(qiáng)的臨界場(chǎng)強(qiáng)）、高效率（更低導(dǎo)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(guò)成熟的熔融法生長(zhǎng)，相對(duì)第三代半導(dǎo)體SiC、GaN，可大幅度降低生產(chǎn)成本?；谘趸壈雽?dǎo)體的功率電子器件可在新能源汽車、充電樁、軌道交通、電機(jī)控制等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用?；谘趸壍纳钭贤夤怆娞綔y(cè)器則在導(dǎo)彈預(yù)警、高壓電網(wǎng)電暈檢測(cè)、臭氧空洞監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)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(dǎo)體被稱為第四代半導(dǎo)體。

圖1. 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程和半導(dǎo)體功率電子器件的應(yīng)用

制備Ga₂O₃半導(dǎo)體光電器件需要對(duì)Ga₂O₃的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行精確調(diào)控，其本質(zhì)是通過(guò)引入摻雜實(shí)現(xiàn)對(duì)Ga₂O₃電子結(jié)構(gòu)的調(diào)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(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，廈門大學(xué)張洪良團(tuán)隊(duì)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(jì)算，探究了IV族摻雜劑對(duì)Ga₂O₃電子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，提出了Si共振摻雜機(jī)制的理論模型，明確Si是Ga₂O₃的n型摻雜的最優(yōu)摻雜劑。

研究團(tuán)隊(duì)利用Si、Sn摻雜實(shí)現(xiàn)了Ga₂O₃載流子濃度的大范圍調(diào)控，通過(guò)1% Si摻雜實(shí)現(xiàn)了目前國(guó)際上最高的載流子濃度 2.6×10²⁰ cm^-3和最高的導(dǎo)電率 2520 S/cm。團(tuán)隊(duì)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(tǒng)研究了摻雜對(duì)氧化鎵電子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律（圖2）。進(jìn)一步結(jié)合DFT計(jì)算，團(tuán)隊(duì)提出了Si共振摻雜理論模型的機(jī)制：證明了由于Si 3s態(tài)位于導(dǎo)帶底上方約2 eV處，Ga 4s態(tài)構(gòu)成的導(dǎo)帶與Si 3s摻雜態(tài)之間缺少軌道雜化，因而Ga₂O₃導(dǎo)帶底邊緣幾乎不受摻雜劑Si電子態(tài)的干擾，Ga₂O₃也仍可保持較小的有效質(zhì)量，進(jìn)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(duì)應(yīng)的Ge 4s和Sn 5s態(tài)與Ga 4s態(tài)發(fā)生強(qiáng)烈雜化，導(dǎo)致導(dǎo)帶邊緣變得平坦、電子有效質(zhì)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(yīng)能帶結(jié)構(gòu)示意圖。（c）基于拋物線和非拋物線模型載流子統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的Burstein-Moss移動(dòng)（?BM）、帶隙重整化效應(yīng)（?RN）和由HAXPES測(cè)得的帶隙重整化效應(yīng)[?RN (HAXPES)]、DFT計(jì)算值[?RN (DFT)]與載流子濃度的關(guān)系。

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

簡(jiǎn)而言之，團(tuán)隊(duì)研究工作通過(guò)Si摻雜實(shí)現(xiàn)目前國(guó)際上最高載流子濃度的Ga₂O₃摻雜，結(jié)合高分辨率同步輻射硬X射線光電子能譜和DFT理論計(jì)算闡明了Si是Ga₂O₃最優(yōu)選的n型摻雜劑，并提出Si共振摻雜機(jī)制的理論模型。研究結(jié)果為導(dǎo)電氧化鎵單晶襯底制備和氧化鎵薄膜摻雜電學(xué)性質(zhì)調(diào)控提供了重要理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。相關(guān)工作以“Direct determination of band-gap renormalization in degenerately doped ultrawide band gap β-Ga₂O₃ semiconductor”為題發(fā)表在凝聚態(tài)物理知名期刊Physical Review B上。廈門大學(xué)張洪良課題組博士生張佳業(yè)和倫敦大學(xué)學(xué)院博士生Joe Willis為本論文共同第一作者。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)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(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)博士學(xué)位，2008年新加坡國(guó)立大學(xué)碩士學(xué)位，2003年山東大學(xué)本科。2012-2017年先后在美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和劍橋大學(xué)從事博士后工作。研究方向?yàn)閷捊麕а趸锇雽?dǎo)體薄膜外延、能帶調(diào)控及光電探測(cè)器件，迄今在Phys. Rev. Lett., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Adv. Mater.，等發(fā)表論文150余篇，申請(qǐng)專利11項(xiàng)。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上基金、企業(yè)合作研發(fā)等項(xiàng)目8項(xiàng)。曾獲國(guó)家高層次“青年”人才、劍橋大學(xué)Herchel Smith Research Fellowship、臺(tái)灣積體電路制造公司（TMSC）最佳國(guó)際研究生科研獎(jiǎng)。

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

（來(lái)源：研究課題組）