【会员论文】武汉纺织大学、华中科技大学、中国特种设备检测研究院：β-Ga₂O₃ 中本征 Ga 与 O 空位形成及作用机制的第一性原理研究

日期：2026-04-29阅读：18

由武汉纺织大学、华中科技大学、中国特种设备检测研究院的研究团队在学术期刊 Computational Materials Science 发布了一篇名为 First-principles study on formation and action mechanism of intrinsic Ga and O vacancy in β‑Ga₂O₃（β‑Ga₂O₃ 中本征 Ga 与 O 空位形成及作用机制的第一性原理研究）的文章。

背景

β‑Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体，具备高击穿电压、深紫外吸收与优异的 Baliga 优值等突出特性，在下一代大功率电子器件、深紫外探测与光催化领域极具潜力。然而，本征 Ga 空位（V_Ga）与 O 空位（V_O）等本征点缺陷会作为深能级中心严重补偿载流子、降低迁移率并损害材料稳定性，成为制约器件性能的关键因素。已有研究多单独关注缺陷形成能、态密度或二维体系，缺乏对体相 β‑Ga₂O₃ 中 V_Ga、V_O 及 V_Ga‑V_O 复合缺陷的形成能、热动力学跃迁能级、电荷分布、能带结构、声子谱与结合能的系统性研究。该团队基于第一性原理计算，系统揭示了本征空位缺陷的形成机制、电荷分布、电子结构影响与稳定性，为理解与调控 β‑Ga₂O₃ 缺陷特性提供了定量理论基础。

主要内容

为深入理解 β 氧化镓（β-Ga₂O₃）中本征空位缺陷的形成与作用机制，该团队采用第一性原理方法系统研究了 β-Ga₂O₃ 中的 Ga 空位（V_Ga）与 O 空位（V_O）。通过对比不同电荷态与生长条件下含 V_Ga、V_O 的 β-Ga₂O₃ 的形成能，确定了含本征空位缺陷的 β-Ga₂O₃ 的最稳定电荷态与跃迁能级特性。结果表明，V_Ga 为深受主缺陷，V_O 为深施主缺陷。此外，计算得到的 V_Ga-V_O 空位复合物均为深能级缺陷。电荷分析进一步阐明了空位形成过程中的电荷重新分布，电荷从空位中心向外扩散。Bader 电荷分析显示，含本征空位缺陷的 β-Ga₂O₃ 中 Ga 原子均失去电子，O 原子均得到电子，并给出了具体电荷变化数值。能带计算表明，引入 V_Ga、V_O 与 V_Ga-V_O 会使整个能带向低能方向移动，并在带隙内产生杂质能级。最后，基于声子谱与结合能计算的稳定性分析表明，β-Ga₂O₃ 中的 V_Ga、V_O 与 V_Ga-V_O 均不具备动力学稳定性。本研究对 β-Ga₂O₃ 中本征空位缺陷的形成与作用机制进行了详细的定量描述，为理解与调控 β-Ga₂O₃ 的缺陷特性奠定了坚实基础。

创新点

•系统揭示 β-Ga₂O₃ 中 V_Ga1、V_Ga2、V_O1~V_O3 及各类 V_Ga-V_O 复合缺陷的形成能与热动力学跃迁能级。

•证实所有本征空位均为深能级缺陷，明确 V_Ga 为深受主、V_O 为深施主的缺陷属性。

•定量阐明空位形成诱导电荷重新分布规律：Ga 失电子、O 得电子，电荷从空位中心向外扩散。

•揭示空位缺陷导致能带整体下移、带隙内出现杂质能级，并改变 CBM/VBM 色散特性。

•首次结合声子谱与结合能证明 V_Ga、V_O、V_Ga-V_O 均动力学不稳定，明确复合缺陷相对稳定性。

结论

基于第一性原理计算，本文详细研究了 β-Ga₂O₃ 中本征 V_Ga、V_O 与 V_Ga-V_O 的形成机制与微观影响。形成能与热动力学跃迁能级分析表明，所有计算的 V_Ga、V_O、V_Ga-V_O 构型在 β-Ga₂O₃ 中均为深能级缺陷。V_Ga1 与 V_Ga2 在 n 型与富氧环境中作为受主存在。类似地，V_O1、V_O2、V_O3、V_Ga1、V_Ga2 及 V_Ga1-V_O2 复合物在 p 型与富氧条件下表现出施主特性。电荷分布分析表明，含 V_Ga、V_O、V_Ga-V_O 的 β-Ga₂O₃ 中电荷主要局域在 O 原子周围。电荷密度差与 Bader 电荷分析表明，Ga 原子始终失去电子，O 原子始终得到电子。能带结构分析表明，引入空位缺陷会使整个能带向低能方向移动，并在带隙内产生杂质能级。同时，V_O1、V_O2、V_O3 会导致 CBM 色散变平。值得注意的是，V_Ga1 与 V_Ga2 会使 VBM 展宽，而 V_Ga1-V_O3 会使 VBM 与 CBM 同时展宽。此外，声子色散谱表明，V_Ga、V_O、V_Ga-V_O 在 β-Ga₂O₃ 体系中均为不稳定缺陷。结合能计算进一步表明，V_Ga1-V_O3 相对稳定，而 V_Ga2-V_O2 是 β-Ga₂O₃ 体系中最不稳定的复合缺陷。