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【知识探索】从缺陷形成能到能级分布：半导体关键物性的图像化解读
日期：2026-04-17阅读：25
点缺陷广泛存在于各种材料中，影响其电学、光学、离子传输等性质，因此对能源应用中的材料性能起到至关重要的作用。第一性原理计算，特别是基于密度泛函理论（DFT）的缺陷计算，已成为预测缺陷能量和相关电子性质的重要工具。缺陷形成能图和缺陷能级图常被用来展示这些计算结果，但对非专门研究缺陷物理的研究人员来说，理解这些图表存在一定困难。
理解缺陷形成能图和缺陷能级图，并展示如何从这些图表中提取关键信息，具体如下：
缺陷与载流子的浓度
通过缺陷形成能图，可以预测不同缺陷在材料中的浓度，这对于理解材料的电学性能非常重要。具体而言，图表中每种缺陷的形成能是随费米能级（Fermi level, ）变化的。通过对比不同缺陷的形成能，可以确定哪个缺陷在特定条件下最稳定，从而估算该缺陷的浓度。此外，载流子的浓度（电子和空穴）通常受到缺陷的影响。缺陷能级图能够提供这些缺陷对载流子浓度的贡献，进而影响材料的导电性和其他电子性质。
掺杂性
掺杂是调控半导体材料电学性能的常用方法。通过缺陷能级图，可以直接评估材料是否适合进行n型或p型掺杂。掺杂性与缺陷的形成能和能级位置密切相关。例如，在图表中， donor缺陷（施主缺陷）会产生电子（n型掺杂），而acceptor缺陷（受主缺陷）会产生空穴（p型掺杂）。通过分析缺陷能级图中的缺陷能级位置，可以评估这些缺陷在不同费米能级下的稳定性，判断材料是否有足够的掺杂窗口来实现所需的n型或p型掺杂。这对于设计新型半导体材料，尤其是在光伏和电子器件中的应用至关重要。
中带态（Mid-gap States）
中带态指的是位于材料带隙中间的电子能级，这些能级通常是由缺陷引入的。中带态可能会导致载流子复合，降低材料的电导率，或者引起光电效应的损失。通过缺陷能级图，可以识别这些中带态的位置，并评估它们对材料性能的影响。如果这些能级过于接近带隙中心，它们可能会导致不良的载流子复合效应，这对光电设备或其他电子器件的效率具有负面影响。通过对比不同缺陷的形成能和能级位置，研究人员可以优化材料，尽量避免产生不利的中带态。
电荷局域化（Charge Localization）
电荷局域化是指缺陷或杂质引起的电子或空穴局部化现象，通常会导致材料导电性降低，甚至影响材料的光学和热学性质。通过缺陷能级图，研究人员可以评估缺陷是否会引起电荷局域化。当缺陷能级处于带隙中且与带边距离较远时，这些缺陷可能导致局域化的电子态，从而影响材料的载流子迁移率，导致低导电性。在分析缺陷能级图时，研究人员可以通过识别这些局部化态的存在与否，进一步优化材料的电导性，特别是在传感器、电子器件等应用中，避免因电荷局域化导致的性能衰减。
(a)缺陷形成能( ED ，q)随费米能(EF)变化的示意图，展示多个缺陷的分布。(b)对应的缺陷能级图，显示(a)中缺陷D1和D2的电荷跃迁能级。
对于缺陷，会在给定电场强度（EF）下绘制具有最低 ED ，q值的电荷态分布图。通常仅绘制+1和0电荷态，而+2电荷态则被排除在外。
带正电荷的缺陷（正斜率）属于施主缺陷。同理，受主缺陷带有负电荷，因此其缺陷线呈现负斜率。
深缺陷与浅缺陷的电荷跃迁能级
施主与受主缺陷的电离能
浅层施主缺陷表现为缺陷态位于导带边缘内部或附近。类似地，浅层受主缺陷表现为缺陷态位于价带边缘内部或附近。
深度供体与受体会引入中间能隙态。这些态是否被占据取决于费米能级（EF）的位置。在0 K条件下，EF以下的态完全被占据，而EF以上的态则完全未被占据。
基于本征缺陷形成能的掺杂场景可分为以下类型：1. p型可掺杂；2. n型可掺杂；3. n型与p型均可掺杂；4. 既不支持n型也不支持p型掺杂。其中标记为“施主”和“受主”的缺陷属于本征缺陷，而“d型掺杂剂”与“a型掺杂剂”分别指外源性施主（n型）和外源性受主（p型）掺杂剂。
功率电子材料—β-Ga2O3的掺杂性和缺陷
功率电子设备对材料的电导率、稳定性和耐高温性有较高的要求。β-Ga2O3作为宽禁带半导体，具有很高的击穿电场和良好的高温稳定性。研究发现，氧空位作为一种常见的缺陷，虽然对n型导电性有贡献，但它们属于深施主缺陷，不能有效提供自由电子。缺陷形成能图揭示，缺陷的形成能较低，导致其在材料中以较高浓度存在，从而影响材料的掺杂性和稳定性。
通过分析缺陷能级图，研究人员发现，材料的n型导电性主要由背景杂质（如硅、氢等）引起，而非氧空位。理解这些缺陷行为对于设计和优化高效功率电子材料具有重要意义。
富氧与贫氧条件下氧空位(VO)在 β-Ga2O3中的形成能随费米能级变化曲线。标记(I)、(II)和(III)分别对应三个非等效氧Wyckoff位点。(b)富氧条件下氢相关缺陷（包括HO、Hi以及Ga位点(I)上的置换性硅(Ga I)）的形成能随费米能级变化曲线。数据引自参考文献。
参考：Gorai P. Beginner’s guide to interpreting defect and defect level diagrams[J]. PRX Energy, 2025, 4(3): 032001.
