【会员论文】香港科技大学（广州）陈子强教授团队---高场下β-Ga₂O₃的电子输运性质：蒙特卡洛方法与第一性原理结合的研究

        由香港科技大学（广州）陈子强教授团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 High-field electron transport properties of β-Ga₂O₃: An integrated Monte Carlo and first-principles approach（高场下 β-Ga₂O₃ 的电子输运性质：蒙特卡洛方法与第一性原理结合的研究）的文章。

        本研究获得香港科技大学（广州）C. K. Tan 创业基金、广州市科技计划项目（No. 2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310 和 2023A03J0152） 广东省教育厅（No. 2024ZDZX1005），香港科技大学(广州)材料表征与制备中央实验室（MCPF）和绿色 e 材料实验室，克拉克森大学点燃研究生研究奖学金，以及克拉克森大学研究生奖学金，以及克拉克森大学提供的启动资金。

        β-Ga₂O₃ 近年来因其约 4.8 eV 的宽带隙和超过 8 MV/cm 的极高击穿电场而备受关注。基于 β-Ga₂O₃ 的器件，肖特基势垒二极管和金属-氧化物-半导体场效应晶体管，在电力电子应用中展现出巨大潜力，其中根据 Novel Crystal Technology 的报道数据，肖特基势垒二极管已实现商业上的成功。尽管取得了这些进展，但 β-Ga₂O₃ 在高电场下的电子输运特性仍未得到充分研究，尤其缺乏对完整能带结构的全面分析。深入理解这些电子输运特性对于优化基于 β-Ga₂O₃ 的电子器件以满足高功率应用需求至关重要。

        在本研究中，研究人员通过将全能带蒙特卡洛模拟与第一性原理计算相结合，探讨了单斜镓氧化物（β-Ga₂O₃）在高电场下的电子输运特性。通过动态生成电子-声子跃迁率，消除了对参数拟合的需求。模拟结果显示，当电场强度超过 100 kV/cm 时，电子速度出现显著的超调现象，并在室温下沿 a 轴方向于 400 kV/cm 时观察到峰值漂移速度为 2.5 × 10⁷ cm/s。分析强调了 B_u 和 A_g 光学声子散射在高电场下主导输运现象中的重要贡献。此外，研究识别出电子输运特性的固有各向异性，高电场与低电场区域表现出明显不同的行为。这些发现为优化基于 β-Ga₂O₃ 的电子器件在高频和高功率应用中的性能提供了关键洞察。

        研究团队利用 FBMC 模拟方法，在高达 1MV/cm 的电场下，对块状 β-Ga₂O₃ 的高场电子输运特性进行了研究。该方法将基于第一性原理导出的电子-声子矩阵元素与通过 Wannier 插值动态生成的结果相结合，确保了计算效率的同时不牺牲精度。静态输运特性显示，在 400 kV/cm 的电场下，沿 x 方向的 RT 峰值速度为 2.5×10⁷ cm/s，而沿 y 方向的速度略低，为 2.0×10⁷ cm/s。这些结果凸显了该材料在高频电子输运应用中的潜力。

        在低场强下，POP 散射占主导地位，主要由 B_u 模式声子介导。然而，在 400 kV/cm 以上，A_g 模式声子与 B_u 模式声子在调控电子-声子散射方面具有同等影响力。同时，高场下观察到的速度退化与非极性光学声子散射率的增加相关，而极性光学声子散射率则对场强变化基本不敏感。关键的是，该研究结果突显了非极性光学声子散射在调控 β-Ga₂O₃ 高场电子输运特性中的关键作用。

图1. β-Ga₂O₃ 的密度泛函理论（DFT）计算得到的导带能级（a）和声子色散关系（b）。图（a）中的插图为基本单元格。

图2. 300 K 下声学（a）和光学（b）声子的电子-声子总散射率。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0271859