【国内论文】武汉大学——β-Ga₂O₃ 器件与铁电 HfO₂ 栅极介电体界面工程的理论见解：极化方向的影响

        由武汉大学的研究团队在学术期刊 Surfaces and Interfaces 发布了一篇名为 Theoretical insights into the interface engineering of β-Ga₂O₃ devices with ferroelectric HfO₂ gate dielectric: Impact of polarization direction（β-Ga₂O₃ 器件与铁电 HfO₂ 栅极介电体界面工程的理论见解：极化方向的影响）的文章。

摘要

        使用铁电材料是实现集成到高载流子密度电子器件中的铁电材料和超宽禁带半导体材料之间高界面载流子密度的重要策略。本研究通过第一性原理计算，研究了极化方向影响下铁电 HfO₂ (fe-HfO₂) / β-Ga₂O₃ 异质结构的结构和电子特性。结果表明，由 fe-HfO₂(001) 或 fe-HfO₂(00-1) 栅介质层和 β-Ga₂O₃ (-201) 衬底组成的稳定异质结构表现出 II 型能带排列。fe-HfO₂ 的相反极化方向导致在 fe-HfO₂(001) / β-Ga₂O₃ 异质结构中形成高密度电子，在 fe-HfO₂(00-1) / β-Ga₂O₃ 异质结构中形成高密度空穴。本研究为 fe-HfO₂ / β-Ga₂O₃ 异质结构的界面特性提供了有价值的见解，并将指导利用 fe-HfO₂ 作为栅介质的高载流子密度 β-Ga₂O₃ 器件的开发。

图 1. 本征材料和异质结构的松弛结构侧视图。(a) 本征 β-Ga₂O₃。(b) 本征 fe-HfO₂。(c) fe-HfO₂↑/β-Ga₂O₃ 和 (d) fe-HfO₂↓/β-Ga₂O₃ 异质结构。Ga_Ⅳ 和 Ga_Ⅵ、O_Ⅲ 和 O_Ⅳ 以及 Hf_Ⅶ 分别表示四倍配位和六倍配位的镓离子、三倍配位和四倍配位的氧离子以及七倍配位的铪离子。橙色箭头表示极化方向。黑色虚线用于区分 fe-HfO₂ 板和 β-Ga₂O₃ 板模型。

图 2. (a)fe-HfO₂↑/β-Ga₂O₃ 异质结构和 (b)fe-HfO₂↓/β-Ga₂O₃ 异质结构的发带结构。(c)fe-HfO₂↑/β-Ga₂O₃ 和(d)fe-HfO₂↓/β-Ga₂O₃ 异质结构的 PDOS。(e)fe-HfO₂↑/β-Ga₂O₃ 和(f)fe-HfO₂↓/β-Ga₂O₃ 异质结构的带排列示意图。费米级对准 0 eV。

DOI：

doi.org/10.1016/j.surfin.2024.105703