【会员论文】武汉大学：β-Ga₂O₃中螺旋位错的第一性原理计算

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带（UWBG）半导体，禁带宽度约为 4.8 eV 。它在高功率电子器件中具有巨大的应用潜力，特别是在高击穿电压、低导通电阻以及抗辐射性能方面，被认为是极具竞争力的下一代半导体材料。在材料生长过程中，由于晶格失配或热应力等因素，晶体内部不可避免地会产生各种缺陷。其中，位错作为一种典型的一维线缺陷，对材料的力学强度和电学性能有深远影响。虽然目前针对氧化镓点缺陷和表面性质的研究较多，但关于位错核的微观原子结构及其对电学性质的具体影响，仍缺乏系统且深入的理论探讨。特别是对于复杂的单斜晶系氧化镓，位错的构型及其演变机制仍不明确。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为种超宽禁带半导体，在高功率器件应用方面具有极好的潜力。在 Ga₂O₃ 的生长过程中不可避免地会出现一些缺陷。位错作为主要缺陷之一，对材料的机械和电学性能有着显著的影响。在这项工作中，通过第一性原理计算对 β-Ga₂O₃ 中的位错进行了系统研究，重点研究了在（-201）面上发生、位错矢量为<010>的螺型位错。提出了“Ga_tetra-Ga_octa-位错”的概念。验证了三种位错核结构，即 Ga_octa-O_Ⅰ-Ga_tetra-近位错、Ga_octa-O_Ⅰ-Ga_tetra-远位错和 Ga_octa-O_Ⅲ-Ga_octa-远位错。研究发现，位错的引入会导致带隙变窄。这表明位错的存在可能会降低 β-Ga₂O₃ 的击穿电压、抗辐射性能及其他相关性能。这项研究为 β-Ga₂O₃ 中位错的理论研究提供了新的视角，具有重要的指导意义。还揭示了位错对 β-Ga₂O₃ 电学性能的影响，为后续研究奠定了基础。

        ● 首次提出了 Ga_tetra-Ga_octa-位错的概念，并建立了相应的理论模型。

        ● 克服了单斜晶系对称性低的挑战，首次系统地揭示了 β-Ga₂O₃ 中（-201）面螺旋位错的三种稳定原子构型。

        ● 从原子尺度证明了位错核会导致显著的禁带收缩，明确了线缺陷导致器件性能退化的物理性质。

        本研究采用第一性原理计算系统性地研究了 β-Ga₂O₃ 中的位错，重点关注具有伯格斯矢量 b=<010> 的螺旋位错。进一步提出了 (-201) 面上的 Ga 四面体-Ga 八面体位错概念。该概念指出，在 (-201) 晶面且 b=<010> 方向上出现的螺旋位错核心结构不应仅由 Ga 八面体和氧原子构成，而应包含 Ga 四面体、Ga 八面体及氧原子。基于这一概念，构建了三种初始位错核心结构。经过充分弛豫后，获得了三种稳定的位错核心结构：Ga_octa-O_I-Ga_tetra-近位错、Ga_octa-O_I-Ga_tetra-远位错和 Ga_octa-O_III-Ga_octa-远位错。这也验证了所提出概念的正确性。最后通过密度泛函理论分析这些位错对 β-Ga₂O₃ 电学性质的影响，发现位错引入导致带隙缩窄。这表明位错的存在可能降低 β-Ga₂O₃ 的击穿电压、抗辐射能力等相关性能。此外，采用电子密度函数（ELF）分析位错核心结构处的电荷分布，发现该结构导致核心区域特定原子 ELF 值降低。本研究为 β-Ga₂O₃ 位错的理论研究提供了新途径，具有重要的指导意义，并为后续研究奠定了基础。

        本研究获得湖北省重点计划（JD）（2023BAA009）、国家自然科学基金（92473102, 62004141, 52202045), 深圳市科技计划项目(JCYJ20240813175906008),国家微纳工程科学重点实验室(MES202608), 电子制造与封装集成湖北省重点实验室开放基金(武汉大学)( EMPI2025007)。本文数值计算在武汉大学超级计算中心集群计算系统上完成。

图1. (a) β-Ga₂O₃ 常规单元胞的结构。(b) β-Ga₂O₃(-201) 单元胞的结构。

图2. (a) (-201) 堆叠结构的侧视图。 (b) O 层与 Ga_tetra 层的平面视图。 (c) Ga_ocat 层、O 层与 Ga_ocat 层的平面视图。

图3. Ga_octa 位错结构（a）弛豫前与（b）弛豫后。

图4. Ga_octa-O_I-Ga_tetra 位错结构：(a) 弛豫前，(b) 弛豫后，(c) 位移差图。

图5. Ga_tetra-O_II-Ga_octa 位错结构：(a)弛豫前，(b)弛豫后，(c)位移差图。

图6. Ga_octa-O_III-Ga_octa 位错结构：(a)弛豫前，(b)弛豫后，(c)位移差图。

图7. (a) 采用 GGA 法计算的完美单元带结构。 (b) 采用 GGA 法计算的完美单元、Ga_octa-O_I-Ga_tetra 位错、Ga_tetra-O_II-Ga_octa 位错及 Ga_octa-O_III-Ga_octa 位错的态密度分布。(c) 采用 GGA 方法计算的 0 eV 附近态密度局部放大图。(d) 采用 TB_mBJ 方法计算的完美单元带结构。(e) 采用 TB_mBJ 方法计算的完美单元、Ga_octa-O_I-Ga_tetra位错、Ga_tetra-O_II-Ga_octa 位错及 Ga_octa-O_III-Ga_octa 位错的态密度分布。(f) 采用 TB_mBJ 方法计算的 0 eV 附近态密度局部放大图。

图8. (a) 完美晶胞的电子局域函数，(b) Ga_octa-O_I-Ga_tetra 位错的电子局域函数，(c) Ga_tetra-O_II-Ga_octa 位错的电子局域函数，以及 (d) Ga_octa-O_III-Ga_octa 位错的电子局域函数。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6463/ae44a7