【会员论文】西安理工大学贺小敏副教授联合深圳平湖实验室张道华院士团队揭示κ-Ga₂O₃铁电翻转机制，为下一代超宽禁带器件设计提供理论支撑

        由西安理工大学贺小敏副教授联合伦敦大学学院、深圳平湖实验室张道华院士及国家宽禁带半导体技术创新中心（深圳）的研究团队在学术期刊 Computational Materials Science 发布了一篇名为 Ferroelectric switching in κ-Ga₂O₃ and polarization tuning in κ-Ga₂O₃/AlN heterostructures by first-principles and machine-learning molecular dynamics（基于第一性原理与机器学习分子动力学的 κ-Ga₂O₃ 铁电翻转及 κ-Ga₂O₃/AlN 异质结构极化调控）的文章。

        κ-Ga₂O₃ 是一种具有非中心对称正交晶结构的超宽禁带半导体，兼具宽禁带、高击穿电场和本征自发极化等特性，实验报道其居里温度可达 690 K，在高温电子器件、射频谐振器及极化调控功率器件等领域展现出良好的应用潜力。通过与 AlN 等极性宽禁带半导体构建异质结，κ-Ga₂O₃ 的铁电极化与界面极化不连续性可协同调控二维电子气（2DEG）和二维空穴气（2DHG），为高密度界面载流子的可控形成提供新的材料平台。然而，该材料体系仍面临若干关键科学问题。受计算成本和时间尺度限制，传统第一性原理方法难以直接模拟万至十万原子尺度的铁电翻转动力学过程，因而难以完整揭示外电场作用下 Ga–O 亚层滑移与剪切的动态演化机制。此外，以闪锌矿结构作为纤锌矿 AlN 的非极性参考相可能在极化差计算中引入虚假贡献，导致其自发极化强度被显著低估，并影响 κ-Ga₂O₃/AlN 界面极化的定量分析。如何将电子结构、力学稳定性等静态物性计算与大尺度动态铁电翻转模拟有效衔接，仍是该体系理论研究的重要挑战。与此同时，不同 κ-Ga₂O₃ 极化状态与不同极性 AlN 衬底组合下的界面极化、载流子类型及面密度尚缺少系统的统一比较，2DEG 与 2DHG 的极化调控规律仍有待进一步阐明。

        本研究结合第一性原理计算与基于机器学习原子势的分子动力学（MD）模拟，探究 κ-Ga₂O₃ 的电子结构、结构稳定性、极化特性以及界面极化调控规律。采用 HSE 杂化泛函计算得到禁带宽度为 4.65 eV，与实验结果吻合良好。态密度分析表明价带由 O-p 轨道主导，导带底来源于 Ga-s 与 O-s 轨道。弹性常数和声子色散计算验证 κ-Ga₂O₃ 具备力学与动力学稳定性，计算得到 κ-Ga₂O₃ 自发极化强度为 0.23 C/m²。采用层状六方结构作为参考相，修正 AlN 自发极化值为 1.33 C/m²，且极化方向指向 Al 极性面。本研究进一步搭建机器学习原子势用于模拟 κ-Ga₂O₃ 极化翻转过程，仿真揭示两步式翻转机理：体系需要强电场克服初始翻转势垒；当体系接近临界翻转构型后，后续极化反转可在显著降低的电场下继续进行。触发场与维持场的差异为理解 κ-Ga₂O₃ 的铁电翻转动力学提供了新的认识。此外，通过调控 κ-Ga₂O₃ 极化方向与 AlN 衬底极性，可实现界面载流子类型与浓度调控。κ-Ga₂O₃(–P)/AlN (c-Al) 界面可生成最高面密度 9.42 × 10¹⁴ cm⁻² 的二维电子气，κ-Ga₂O₃(+P)/AlN (c-N) 界面可生成最高面密度 9.44 × 10¹⁴ cm⁻² 的二维空穴气。

        ①构建专门适用于 κ-Ga₂O₃ 大尺度铁电动力学仿真的 qNEP 机器学习原子势，完整覆盖正极化/顺电/负极化结构转变路径。

        ②采用六方层状相作为基准修正 AlN 自发极化数值，避免闪锌矿参考相可能引入的虚假极化贡献。

        ③揭示 κ-Ga₂O₃ 强电场触发、弱电场延续的两阶段铁电翻转机制，阐明触发场与后续维持场的不同作用。

        ④系统比较不同 κ-Ga₂O₃ 极化状态与 AlN 衬底极性组合下的界面极化，定量预测二维电子气和二维空穴气的类型及理想面密度。

        本研究结合第一性原理计算与机器学习势分子动力学模拟，系统探究 κ-Ga₂O₃ 的电子结构、结构稳定性、自发极化、压电极化特性，并进一步研究 κ-Ga₂O₃/AlN 异质结界面极化调控规律。电子性能计算表明，采用 HSE 杂化泛函 κ-Ga₂O₃ 禁带宽度为 4.65 eV，与实验测试高度吻合；态密度分析证实价带以 O-p 轨道为主，导带底由 Ga-s、O-s 轨道共同杂化构成。弹性常数与声子色散计算验证 κ-Ga₂O₃ 具备力学与动力学双重稳定性。铁电特性计算显示 κ-Ga₂O₃ 拥有显著自发极化，计算数值为 0.23 C/m²，铁电-顺电相变能垒为 0.61 eV。此外，引入六方层状相作为参考基准，将 AlN 自发极化修正为 1.33 C/m²，极化方向指向 Al 极性面，纠正过往认知偏差。

        本研究搭建高精度机器学习原子势，实现 κ-Ga₂O₃ 铁电翻转大尺度分子动力学模拟，仿真得出两步式翻转机理。加速分子动力学仿真方案中，首先施加 17.5 MV/cm 强电场将体系推至翻转临界构型；完成强电场触发阶段后，极化反转可在远更低电场下持续进行。结果证明触发电场与维持极化传播的电场存在明显区分，触发电场数值远高于维持电场；该动力学差异可解释实验观测到的表观低矫顽场，同时不可将加速仿真电场等同于准静态测试矫顽场。

        针对 κ-Ga₂O₃/AlN 异质结，可通过调控 κ-Ga₂O₃ 铁电极化态、更换不同极性 AlN 衬底，实现界面载流子类型与浓度有效调控，界面总极化可调区间为 −1.51 ~ 1.51 C/m²。其中 κ-Ga₂O₃(–P)/AlN (c-Al) 界面可生成最高面密度 9.42 × 10¹⁴ cm⁻² 的二维电子气，κ-Ga₂O₃(+P)/AlN (c-N) 界面可生成最高面密度 9.44 × 10¹⁴ cm⁻² 的二维空穴气。

        综上，本研究为深入理解 κ-Ga₂O₃ 及其 AlN 异质结的物性、极化调控机理与铁电稳定性提供完整理论依据，为下一代高性能电子器件设计奠定理论基础。

        本研究得到国家自然科学基金（62474139、62404180）、西安市科协青年人才专项（0959202513045）、陕西省教育厅自然科学基金（21JK0794）资助。

图 1 (a) κ-Ga₂O₃ 晶体结构与布里渊区高对称点路径示意图；(b) PBE 泛函能带结构图；(c) HSE 杂化泛函能带结构图；(d) 分波态密度图谱。

图 2 κ-Ga₂O₃ 声子色散曲线与声子态密度图。

图 3 自发极化 (P_sp) 与相变能垒 (ΔE) 变化曲线，插图分别为 (a) κ-Ga₂O₃、(b) AlN 对应晶体构型示意图。

图 4 (a) β-Ga₂O₃、κ-Ga₂O₃ 正极化/顺电/负极化数据集描述子降维分布图；(b) 不同应变条件下 κ-Ga₂O₃ 的 DFT 与 GPUMD 能量计算对比；(c) 电场、体系原子数 N 对 κ-Ga₂O₃ 铁电翻转序参量 μ 的影响；(d) 温度对 κ-Ga₂O₃ 铁电翻转序参量 μ 的影响。

图 5. NEP 模型性能评估：(a) 损失函数与均方根误差（RMSE）变化曲线；(b) 能量对比图；(c) 受力对比图；(d) 维里张量对比图。

图 6 (a) 不同强电场触发、弱电场维持方案下序参量 μ 随时间演化曲线；(b) 基于 Ga 原子相对滑移的 κ-Ga₂O₃滑移型铁电翻转机理示意图，标注序参量 μ 定义。

图 7 κ-Ga₂O₃/AlN 异质界面极化示意图：(a) 正极化 κ-Ga₂O₃/非极性 AlN；(b) 负极化 κ-Ga₂O₃/非极性 AlN；(c) 正极化 κ-Ga₂O₃/Al 极性 AlN；(d) 负极化 κ-Ga₂O₃/Al 极性 AlN；(e) 正极化 κ-Ga₂O₃/N 极性 AlN；(f) 负极化 κ-Ga₂O₃/N 极性 AlN。

        本文通讯作者：贺小敏，西安理工大学电子工程系副教授。在宽禁带半导体材料与器件研究领域深耕多年，主要从事碳化硅（SiC）和氧化镓（Ga₂O₃）的外延生长技术、异质结界面特性调控及其功率、高频器件的研究工作。累计以第一作者在核心期刊发表论文 15 篇，其中 SCI 收录 11 篇。主持/参与纵向科研项目 9 项，其中：国家级 3 项、省部级 3 项、厅局级及重点实验室项目 3 项。主持/参与横向课题 9 项，总经费 223 万元，含主持百万级项目 1 项。荣获 2018 年度陕西省教育厅科技进步二等奖。

DOI：

doi.org/10.1016/j.commatsci.2026.114918