【国内论文】中山大学裴艳丽教授团队联合嘉应学院团队：Te掺杂与应变调控协同工程实现β-Ga₂O₃的有效p型化

        由中山大学裴艳丽教授团队联合嘉应学院团队在学术期刊 Computational Materials Science 发布了一篇名为 Co-engineering of tellurium doping and strain modulation for effective p-type achieve in β-Ga₂O₃（Te 掺杂与应变调控协同工程实现 β-Ga₂O₃ 的有效 p 型化）的文章。

        本研究部分由中国国家重点研发计划（2024YFE0205300）、吉林省科技发展计划项目（YDZJ202303CGZH022）、 深圳市科技计划项目（20231127114207001），国家重点实验室光电子材料与技术开放基金（OEMT-2023-KF-05）共同资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带（UWBG）半导体，因其高击穿场强和高巴利加优值（BFOM），在下一代高功率电子器件领域极具潜力。然而，β-Ga₂O₃ 的应用目前受到一个根本性瓶颈的严重制约 p 型掺杂难题。Ga₂O₃ 材料天然呈 n 型，而实现稳定、高效的 p 型掺杂极其困难。传统的 p 型掺杂剂在 Ga₂O₃ 中往往会形成深能级受主，导致其电离能过高，在室温下无法电离出足够多的空穴，空穴浓度极低，从而无法实现有效的 p 型导电。缺乏可用的 p 型 Ga₂O₃ 材料，使得研究人员无法构建 p-n 结、IGBT 等双极型功率器件，其应用被限制在单极型器件上。

        在宽带隙半导体中实现有效的 p 型掺杂仍是关键挑战，限制了新一代电子与光电子器件的性能。本文通过碲（Te）置换与应变工程的双重策略，对 β-Ga₂O₃ 中的 p 型掺杂进行了全面的第一性原理计算。值得注意的是，在拉伸应变作用下，碲诱导的缺陷能级系统性地向价带最高能级（VBM）方向上移，有效将深受主态转化为浅能级，从而促进空穴传导。相反，压缩应变则加深缺陷能级并增宽带隙。通过电子能带结构、部分态密度（PDOS）、形成能及键长演变等精细分析，揭示了局部结构畸变与应变效应间的相互作用机制。这些发现表明，通过精妙结合掺杂剂选择与应变调控，有望突破 β-Ga₂O₃ 及类似宽带隙氧化物中 p 型掺杂的长期瓶颈。

        ● Te 掺杂有效地在 β-Ga₂O₃ 中引入受主态。

        ● 拉伸应变将 Te 缺陷能级向价带顶点偏移，实现浅受主行为。

        ● 压缩应变加深缺陷能级并扩大带隙，抑制 p 型导电性。

        ● 协同设计掺杂剂选择与应变调控，为实现宽带隙氧化物有效 p 型掺杂提供可行策略。

        第一性原理研究表明，碲掺杂结合应变工程为在 β-Ga₂O₃ 中实现高效 p 型导电提供了有前景的途径。碲元素优先占据 Ga-II 位点，在此引入深能级受主。通过施加拉伸应变，该受主能级可向上移至虚带边界。这种由增强的碲 5p 与氧 2p 轨道混杂驱动的能级上移，有效将深能级转化为利于空穴传导的浅能级。相反，压缩应变会缩短键长，加深缺陷能级，从而抑制空穴激活。结合键长、价电子密度（PDOS）及形成能分析表明，拉伸应变可缩小带隙并提升掺杂体系的热力学稳定性。这种协同工程方法不仅揭示了重要机理，更为突破宽带隙氧化物中 p 型掺杂的现有限制提供了可行路径。

图1. (a) 基于原始单元胞的 β-Ga₂O₃ 电子能带结构与部分密度泛函轨道分布。(b) 采用 120 原子超单元胞的无应变 Te 掺杂 β-Ga₂O₃ 电子能带结构与部分密度泛函轨道分布。

图2. (a) 从分子轨道角度阐释应变如何改变 Ga₂O₃ 能带色散结构的示意图。示意图展示了拉伸应变如何从分子轨道视角改变 Ga₂O₃ 的能带色散特性。由此导致原子轨道重叠相互作用引起的能带色散减弱，进而造成带宽（γ）缩窄、带隙（E_g）增宽及能带有效质量增大。(b) 不同应变下 β-(Te_1/64Ga_63/64)₂O₃ 电子能带结构示意图，并与 β-Ga₂O₃ 进行对比。

图3. Te 掺杂 β-Ga₂O₃ 的单位配方体积（粉色方块）与每种阳离子的混合焓（绿色圆圈）随压应变和拉应变的变化关系。插图展示单斜晶系 β-Ga₂O₃ 的单元胞。

图4. 受各向同性应变作用下 β-(Te_1/64Ga_63/64)₂O₃ 的部分态密度分布，其中 Te-5p 和 O-2p 轨道曲线以粗体突出显示以便比较。(a) 压缩应变为 −1 % 时。(b) 压缩应变为 −2 % 时。(c) 压缩应变为 −3 % 时。(d) 拉伸应变为 1 % 时。(e) 拉伸应变为 2 % 时。(f) 拉伸应变为 3 % 时。

图5. 不同应变下 β-(Te_1/64Ga_63/64)₂O₃ 的形成能与费米能的关系。费米能零点与价带边缘对齐。

DOI：

doi.org/10.1016/j.commatsci.2025.114347