【国内新闻】山东大学杨家跃教授团队：基于第一性原理对有序 β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃合金中电子输运性质的研究

      宽禁带半导体氧化镓(β-Ga₂O₃)是新兴的一种宽禁带半导体。由于其高禁带宽度(Eg=4.6-4.9 eV), 高电击穿电压,可控的n型掺杂以及高质量的基质的可用性等特点，在功率电器，太阳隐蔽紫外线光电探测器,新颖的传感器技术方面具有很大的应用前景。近年来，研究者对氧化镓改性取得了很大的进展，例如通过合金化Ga₂O₃与Al₂O₃氧化铝可以实现广泛的带隙调节（4.8-8.8 eV )，这表明比AlGO合金具有比β-Ga₂O₃更高的击穿电场。

      对AlGO合金的电子结构如能带，态密度等已经取得了广泛的研究，但由于其结构复杂，其载流子输运性质难以准确研究。为此我们结合第一性原理计算方法以及玻耳兹曼输运方程，准确地预测他们的载流子（电子）迁移率，并阐明了其内在散射机制。

      β型氧化镓晶体结构具有两种配位，八面体配位和四面体配位。研究显示，合金化的过程中Al优先占据八面体配位，基于此合金规则，我们构建了比例为25%以及50%的AlGO合金如图1所示。

      载流子迁移率结果如图2所示，低温下AlGO合金电离杂质散射在散射机制中占据主导地位，随着温度的升高，其作用降而低极性光学声子散射起主要作用。理论预测趋势与现有实验数据吻合的很好。计算结果得到β-(Al_0.25Ga_0.75)₂O₃和β-(Al_0.5Ga_0.5)₂O₃合金电子迁移率在300 K时分别103.6和80.60cm²/V s, 如此低的电子迁移率受到内在的强极性光学声子散射的影响。而且随着铝含量进一步增加，傅里叶常数和极性声子散射强度增加，导致合金的电子迁移率进一步降低。这项工作为研究AlGO合金的电子输运性质提供了一种理解途径，为寻求改善潜在的应用在大功率电子器件的电子迁移率提供了理论依据。

团队领导人介绍：

      杨家跃，山东大学教授、博士生导师，入选国家海外青年人才。2006-2015年就读于哈尔滨工业大学，相继获得电子科学与技术专业学士学位、工程热物理专业博士学位，并荣获第十八届哈尔滨工业大学优秀博士论文；后赴德国亚琛工业大学矿物质研究所从事博士后研究；2018年11月回国，在山东大学从事科研教学工作，并于2020年入选国家高层次海外青年人才。目前从事的研究方向：高温热辐射热物性、热导率多尺度模拟及工程调控、宽禁带半导体器件热管理、高温陶瓷微波特性以及功能材料智能设计。近几年发表SCI论文40余篇，刊登在JPCL、PRB、APL、OL、JQSRT等工程热物理学科国际一流期刊上；申请发明专利4件（其中授权2件，受理美国专利1件）。德国博士后工作期间，获得了德国亚琛工业大学青年基金和德国于利希超算研究中心的资助。承担或主要参与了国防重点实验室基金、GF科技创新特区H863以及装备预研重点实验室等项目。