深圳平湖實驗室第四代材料與器件課題組針對氧化鎵價帶能級低和p-型摻雜困難等問題，采用銠固溶方式理論開發(fā)了新型β相銠鎵氧三元寬禁帶半導體。該成果“Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors”已在《Advanced Electronic Materials》期刊上發(fā)表并受邀提供期刊封面設計。該文章也被收錄到《Progress and Frontiers in Ultrawide bandgap Semiconductors》專題。文章第一作者為查顯弧博士，通訊作者為張道華院士，共同作者包括萬玉喜主任和李爽副教授。

 半導體材料的功率特性（巴利加優(yōu)值）與其帶隙的立方成正比。氧化鎵具有超寬的帶隙（4.9電子伏）和成熟的制備方法，是功率器件的理想材料。然而，已有氧化鎵器件的功率特性仍顯著低于材料的理論極限，原因在于氧化鎵價帶頂能級低，能帶色散關系平坦。雜質(zhì)摻雜受主能級多在1電子伏以上，難以實現(xiàn)有效的p-型導電。目前氧化鎵器件多基于肖特基勢壘或與其他氧化物(如氧化鎳)形成p-n異質(zhì)結(jié)。較低的肖特基勢壘及p-n異質(zhì)結(jié)的高界面態(tài)限制了氧化鎵器件的功率特性。如何實現(xiàn)氧化鎵的p-型摻雜成為當下研究的一個關鍵問題。

圖一、β相氧化鎵晶體結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)圖。

本工作基于第一性原理考察了銠固溶氧化鎵結(jié)構(gòu)。由于銠的原子半徑與鎵接近，銠固溶氧化鎵具有較低的混合焓，固溶構(gòu)型具有高穩(wěn)定性。這種現(xiàn)象在實驗上也得到了證實，采用Pt-Rh坩堝生長氧化鎵晶體時，銠易進入氧化鎵晶格?；谀軒ЫY(jié)構(gòu)分析，銠固溶氧化鎵仍是寬禁帶半導體，其價帶頂由銠和鄰近的氧原子軌道雜化形成，對應能級較氧化鎵價帶頂顯著上升。此外，價帶頂附近能帶色散曲率增加，這與沿[010]晶向離域的電子態(tài)密度密切相關，故該工作作者建議在氧化鎵[010]晶向襯底外延生長銠固溶氧化鎵外延層。具體地，銠固溶摩爾比濃度在0-50%范圍內(nèi)，固溶體的半導體帶隙在3.77和4.10電子伏之間，其價帶頂能級相較于氧化鎵上升了至少1.35電子伏。銠摩爾比為25%時，其空穴有效質(zhì)量僅為氧化鎵的52.3%，這有助于實現(xiàn)p型摻雜，擴展材料應用范圍和改進器件的性能。

圖二、(a)和(b)分別為銠固溶摩爾比為25%時的晶體結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)圖。(c) 銠固溶氧化鎵β-(Rh_xGa_1-x)₂O₃在不同摩爾濃度x下的能帶對齊圖。

來源：深圳平湖實驗室