【会员论文】深圳平湖实验室——铑合金化β氧化镓材料：新型三元超宽带隙半导体

        近期，由深圳平湖实验室的研究团队在学术期刊 Advanced Electronic Materials 发布了一篇名为 Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors（铑合金 β 氧化镓材料： 新型三元超宽带隙半导体）的文章。

摘要

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种具有高功率电子优势的超宽禁带半导体。然而，由于其价带最大值（VBM）处的平带色散和 p 型掺杂的困难，β-Ga₂O₃ 基器件的功率耐受性仍远低于其材料极限。本文报道了 β-Ga₂O₃ 基新型三元超宽禁带半导体：β-(Rh_xGa_1-x)₂O₃ 的合金，其中 x 最高为 0.5。通过铑合金化，β-Ga₂O₃ 的 VBM 的能量和能带色散曲率显着增强。与 β-Ga₂O₃ 中的相比，β-(Rh_xGa_1-x)₂O₃ 的 VBM 增加超过 1.35 eV。β-(Rh_0.25Ga_0.75)₂O₃ 的空穴质量仅为 β-Ga₂O₃ 的 52.3%。空穴质量的降低与沿 b 轴的等 Rh─O 键有关。由于导带最小值的同步上升，β-(Rh₂O₃Ga_1-x)₂O₃ 的带隙仍远大于商用碳化硅。此外，合金在宽范围的 x 内显示出直接带隙，并且在 β-(Rh_0.3125Ga_0.6875)₂O₃ 中确定了 4.10 eV 的直接和超宽带隙。结合增强的价带能量、减小的空穴质量和超宽带隙，β-(Rh_xGa_1-x)₂O₃ 可以成为新一代功率电子、紫外光电子和互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的候选半导体。

图1. a) 基于传统单胞的 1 × 2 × 2 β-Ga₂O₃ 超级单胞。右侧部分表示两个非等效 Ga 位点和三个非等效 O 位点；b) β-Ga₂O₃ 原始晶胞；c) 基于原始晶胞的 β-Ga₂O₃ 电子能带结构和状态密度（DOS）。蓝线和红线分别表示 Ga 和 O 轨道的贡献。

图 2. a) β-(Rh_0.25Ga_0.75)₂O₃，b) β-(Rh_0.5Ga_0.5)₂O₃。这些结构是根据 β-Ga₂O₃ 的 1 × 2 × 2 超胞构建的。绿色和灰色区域分别代表 Ga 原子和 Rh 原子。c) β-(Rh_xGa_1-x)₂O₃ 和β-(Bi_xGa_1-x)₂O₃ 的每个式单位体积（红色标记）和每个阳离子的混合焓ΔH（蓝色标记）。β-(Bi_xGa_1-x)₂O₃ 的数值来自 Cai 的研究。

DOI：

doi.org/10.1002/aelm.202400547