【国内论文】山东大学陶绪堂教授、贾志泰教授团队：Sn掺杂β-Ga₂O₃及其与本征空位缺陷复合结构的第一性原理研究

日期：2026-04-17阅读：32

由山东大学陶绪堂教授、贾志泰教授的研究团队在学术期刊人工晶体学报发布了一篇名为First-principles Study on Sn-Doped β-Ga₂O₃ and Its Composite Structures with Intrinsic Vacancy Defect（Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 及其与本征空位缺陷复合结构的第一性原理研究）的文章。

背景

单斜相氧化镓（beta-Ga₂O₃）作为第四代超宽禁带半导体的代表，拥有约 4.9 eV 的禁带宽度和高达 8 MV/cm 的理论临界击穿场强。其巴利加优值（BFOM）远超第三代半导体 SiC 和 GaN，在高温、高频、高功率电子器件以及深紫外光电器件领域具有巨大的应用潜力。为了实现功率器件的高导电性，必须对 β-Ga₂O₃ 进行有效的 n 型掺杂。在众多的掺杂元素中，锡（Sn）因其原子半径与镓（Ga）原子相近，且在 β-Ga₂O₃ 中具有较低的形成能，成为实现受控 n 型导电最常用的施主杂质之一。在晶体生长和薄膜制备过程中，由于热力学平衡或非平衡工艺，材料内部不可避免地会产生本征空位缺陷，包括镓空位和氧空位。本征空位缺陷通常表现为深能级中心，会捕获自由载流子，从而影响材料的电学平衡。更重要的是，掺杂原子与这些本征空位之间会产生强烈的相互作用，形成稳定的复合缺陷结构。虽然目前对 Sn 单一掺杂已有较多研究，但关于 Sn 原子与不同位点空位缺陷形成的复合结构如何协同影响 β-Ga₂O₃ 的电子能带结构、态密度以及光学特性的系统研究仍然较少。通过理论计算模拟这些复杂结构的演变，对于优化晶体生长工艺、提升器件性能具有重要的指导意义。

主要内容

β-Ga₂O₃ 因超宽禁带和高击穿电场强度，在功率电子器件和日盲紫外光探测器等领域展现出重要应用前景。由于 β-Ga₂O₃ 本征载流子浓度极低，掺杂工程是目前调控其电学与光学性能的主要方式。但在实际晶体生长过程中，各类本征缺陷不可避免地会影响掺杂效果。本文基于第一性原理计算，系统研究了 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 及缺陷复合体（Sn_GaII-V_Gai，Sn_GaII-V_Oi）的结构稳定性、电子结构与光学性质。结果表明，Sn 优先占据八面体配位 Ga 位点，相较于占据四面体配位 Ga 位点，该构型能量更低，结构更为稳定。在富氧生长条件下，Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 倾向于形成 Sn_GaII-V_GaII 缺陷复合体；而在富镓生长条件下，则不易形成此类 Sn 掺杂-空位复合结构。此外，引入 V_Ga 空位缺陷后，体系在红外至可见光波段出现明显的吸收带。本研究揭示了 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 中缺陷复合体的形成机制及其对光电性能的协同调控作用，为高性能光电子器件与功率器件的设计与优化提供了理论依据。

创新点

•通过计算发现，Sn 原子倾向于取代 β-Ga₂O₃ 中的六配位八面体 Ga2 位点，其形成能低于四配位四面体 Ga1 位点，具有更好的热力学稳定性。

•证实了 Sn 掺杂会在导带底部引入浅施主能级，显著提升费米能级位置，使材料表现出明显的 n 型导电特征。

•研究发现 V_Ga 会产生明显的能带补偿效应，而 V_O 的引入则会进一步改变亚带隙态的分布。

•研究表明 Sn 掺杂及复合缺陷的存在会导致吸收边发生红移，并在深紫外区域产生特征吸收峰。

结论

本文系统研究了 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 及其掺杂-缺陷复合体系的晶格畸变、电子结构与光学性质，主要结论如下：1）Sn 原子优先占据八面体配位的 Ga_II 位点，该构型具有最低的形成能与最小的晶格畸变。2）在各类掺杂–缺陷复合体中，Sn_GaII-V_GaI 与 Sn_GaII-V_OI 构型表现出最低的缺陷形成能，热力学稳定性最高。3）所有掺杂及缺陷构型在富氧生长条件下均呈现更低的形成能，表明通过调控氧化学势可有效抑制或促进特定缺陷的形成，为实验中的缺陷工程提供理论指导。4）通过理论计算预测 Sn_GaII-V_Gai 复合体系在可见光至红外波段引入显著的光吸收带，拓展了 β-Ga₂O₃ 在宽光谱光电探测（如可见-红外响应）领域的应用潜力。