深圳平湖实验室最新进展：β铑合金氧化镓p型导电的可行性研究

摘要：由深圳平湖实验室的研究团队在学术期刊Journal of Applied Physics发布了一篇名为 Feasibility of p-type conduction in beta rhodium alloyed galliumoxide（β铑合金氧化镓中

由深圳平湖实验室的研究团队在学术期刊Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Feasibility of p-type conduction in beta rhodium alloyed galliumoxide（β铑合金氧化镓中p型导电的可行性）的文章。查显弧博士是该文的第一作者，万玉喜主任和张道华院士是该文通讯作者，南京理工大学李爽副教授及深圳平湖实验室刘妍博士、杨茂谨、焦腾博士、陈嘉祥博士和丁祥金博士为共同作者。

项目支持

深圳市平湖实验室项目（Grant No. 224110）提供的资金支持，以及深圳国家超级计算中心提供的计算资源。

背景

β-氧化镓（β-Ga2O3）是一种性能优异的超宽禁带半导体，在功率器件领域备受关注。但其难以实现有效的 p 型导电，这极大地限制了其在双极型器件（如 p-n 结）中的应用，是该领域面临的核心挑战。根据化学调制价带理论，通过引入具有与氧 2p 轨道能量相近的阳离子轨道，可以有效提升价带顶（VBM）的位置，从而使受主能级变浅，实现p型掺杂。前期研究预测，在 β-Ga2O3 中合金化铑（Rh）形成的 β-(RhxGa1−x)2O3 材料，不仅能保持超宽禁带，还能将价带顶（VBM）提升超过 1.35 eV，并减小空穴有效质量，这为实现 p 型导电提供了理论可能性。然而，能否在这种新型合金中找到合适的受主掺杂剂并获得良好的空穴迁移率，是验证其 p 型导电可行性的关键，需要进一步的理论研究。

主要内容

β-氧化镓（β-Ga2O3）因其超宽带隙和成熟的合成方法，在功率器件领域备受关注。然而，β-Ga2O3 缺乏 p 型导电性限制了器件性能。近期研究预测，铑合金 β-Ga2O3（即 β-(RhxGa1−x)2O3 具有升高的价带顶（VBM）和减小的空穴质量。本研究探索在 β-(RhxGa1−x)2O3 中实现 p 型掺杂的可行性。通过计算发现，Li、Na 和 Cu 掺杂在 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 中的受主能级低于 0.4 eV。价带顶的升高，加上掺杂元素轨道与价带顶轨道间的弱相互作用，对实现浅能级受主起到了关键作用。在空穴浓度为 1017 cm−3 且室温条件下，β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 的空穴迁移率可达 10.7 cm2 V−1 s−1，高于多数 p 型金属氧化物的数值。此外，空穴迁移率呈现各向异性特征，其数值主要受极性光学声子散射限制。本研究证实 β-(RhxGa1−x)2O3 合金实现 p 型掺杂具有可行性，基于该材料构建的 p-n 同质结有望显著拓展合金氧化物的应用领域。

总结

本研究深入探讨了 β-(RhxGa1−x)2O3 合金中 p 型导电的可行性。针对 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 与 β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 体系，我们研究了潜在的p型掺杂策略，并测定了 0≤x≤0.5 范围内 β-(RhxGa1−x)2O3 的空穴迁移率。针对 p 型掺杂方案，考虑了 Li、Na、K、Be、Mg、Ca、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg 及 Ga 空位等掺杂情形。价带顶能级与掺杂元素的键合强度对受主能级大小具有决定性影响。在相同位置下，特定掺杂剂的受主能级随价带顶能级升高而降低。在 β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 中，Mg 掺杂剂的受主能级测定值为 0.543 eV。位于八面体 Ga 位点的 Li 和 Na 掺杂剂受主能级显著低于位于四面体 Ga 位点数值，其值分别为 0.388 eV 和 0.381 eV。这些较低的受主能级可归因于掺杂剂轨道与价带顶轨道之间的相互作用较弱。就空穴迁移率而言，β-(RhxGa1−x)2O3 合金通常比 β-Ga2O3 具有更高的数值。值得注意的是，β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 和 β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 尤其如此。在室温下，β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 的空穴迁移率在空穴浓度为 1017 cm−3 时可达 10.7 cm2 V−1 s−1，高于大多数 p 型金属氧化物的数值。该空穴迁移率呈现显著各向异性，其数值受极性光学声子散射限制。总体而言，与 β-Ga2O3 相比，β-(RhxGa1 − x)2O3 合金通常具有更浅的受主能级和更高的空穴迁移率。预测特性表明，在 β-(RhxGa1 − x)2O3 合金中实现 p 型导电确实可行。鉴于其超宽带隙特性，这些合金在高功率器件、深紫外光电子学、CMOS 技术及其他领域具有潜在应用前景。

图1. (a)–(c) 分别展示β-Ga2O3、β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 和 β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 的侧视图。其中 Ga、O 和 Rh 原子分别用绿色、红色和灰色圆圈表示。

图2. (a)第 1 族、第 2 族、第 11 族、第 12 族元素及 Ga 空位掺杂β-(Rh0.25Ga0.75)2O3的受主能级分布。同时考察了位于 Ga-I 位点和 Ga-II 位点的掺杂剂受主能级。(b) β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 中掺杂剂的受主能级，仅研究了位于 Ga-II 位点的掺杂剂。

图3. (a) β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 与对应 MgGa-II 构型在电中性状态下的总态密度 (DOS) 对比；(b) MgGa-II 构型中各元素的投影态密度，该构型基于 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 构建； (c) 基于 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 衍生的 MgGa-II 构型中镁元素的态密度分布；(d) β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 与对应 MgGa-II 构型在电中性状态下的态密度对比； (e) 基于 β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 构型中 MgGa-II 构型各元素的投影态密度；(f) 基于 β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 构建的 MgGa-II 构型中镁的态密度。图 (a) 和 (d) 中的垂直虚线分别代表体相 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 与 β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 的费米能级。缺陷构型与体相构型的能态分布均通过远离掺杂镁原子的氧原子 O 1s 核心能级进行对齐。

图4. (a) β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 与基于该结构的 NaGa-I 构型能态密度比较；(b) NaGa-I 构型中各元素的投影能态密度，该构型基于 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3构建； (c) 基于 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 的 NaGa-I 构型中钠的态密度分布；(d) β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 与基于该结构的 NaGa-II 构型态密度分布对比； (e) 基于 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 的 NaGa-II 构型中各元素的投影态密度；(f) 基于 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 构建的 NaGa-II 构型中钠的态密度分布。图 (a) 和 (d) 中的垂直虚线分别对应体相 β-(Rh0.25Ga0.75)2O3的费米能级。缺陷构型与体相构型的能态分布均以远离掺杂钠原子的氧原子 O 1s 核心能级为基准进行对齐。

图5.(a) β-Ga2O3 的室温空穴迁移率。青色圆圈和蓝色星号分别表示引用文献 [31] 和 [30] 中的实验值。(b) β-Ga2O3 的室温电子迁移率，青色圆圈和蓝色星号分别代表引用文献 [56] 和 [57] 中的实验数据。

图6. (a) β-Ga2O3 与 β-(RhxGa1−x)2O3 的空穴迁移率，其中 x 值分别为 0.125、0.250、0.375 和 0.500。这五种构型对应的数据点清晰标注：β-Ga2O3 的空穴迁移率值以浅蓝色圆圈表示，β-(Rh0.125Ga0.875)2O3 以深绿色星号表示，β-(Rh0.25Ga0.75)2O3 以深青色六边形表示，β-(Rh0.375Ga0.625)2O3 的空穴迁移率值用暗灰色菱形表示，β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 的空穴迁移率值用深红色方块表示。(b)–(e) β-(RhxGa1−x)2O3（x 值分别为 0.125、0.250、0.375 和 0.500）的取向依赖空穴迁移率。各子图中，沿 a 轴、 b 轴和 c 轴的空穴迁移率分别用青色圆圈、蓝色方块和绿色星号表示。平均值以黑色圆圈标示。

图7. (a) β-(Rh0.125Ga0.875)2O3、 (b) β-(Rh0.25Ga0.75)2O3、(c) β-(Rh0.375Ga0.625)2O3 及 (d) β-(Rh0.5Ga0.5)2O3 在特定散射机制下的空穴迁移率。ADP、IMP和POP空穴迁移率分别用青色六边形、蓝色正方形和绿色星号表示。整体空穴迁移率以灰色圆圈表示。