【国际论文】Phys. Rev. Appl.丨英国贝尔法斯特女王大学：基于β-氧化镓异质结：生长取向与合金化对电子特性的影响

        由英国贝尔法斯特女王大学、爱尔兰科克大学廷德尔国家研究所、欧洲理论光谱设施联合研究团队在学术期刊 PHYSICAL REVIEW APPLIED 发布了一篇名为 β-Ga₂O₃-based heterojunctions: Effects of growth orientation and alloying on electronic properties（基于 β-氧化镓异质结：生长取向与合金化对电子特性的影响）的文章。

        Ga₂O₃ 具有约 4.7 eV 的宽禁带，作为一种极具前景的材料，在金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、紫外日盲光电探测器和肖特基势垒二极管（Schottky barrier diodes, SBD）等多种应用中受到广泛关注。Al₂O₃ 常被用作 Ga₂O₃ 基异质结的栅极氧化物，但二者晶体结构的差异可能导致晶格失配，当薄膜厚度超过临界值时甚至发生开裂。为缓解失配并调控禁带宽度等电子性质，将 Ga₂O₃ 与铝合金化形成 (AlxGa1-x)₂O₃ 被广泛采用。

        在 SBD 和高电子迁移率晶体管等器件中，带阶（band offset）对器件性能至关重要。然而已报道的导带阶（conduction band offset, CBO）值差异显著，最大可达 1.5 eV。实验研究中，电容-电压（C-V）剖面分析和 X 射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）的测量结果因沉积方法和表征技术不同而表现出强烈变化。理论研究方面，大多数原子建模采用电子亲和能规则计算孤立表面的带阶，仅少数研究考虑了真实界面。几乎所有工作仅考虑自然带阶，忽略了应变效应和界面处的化学键合，这可能导致对带阶大小和类型的不准确预测。

        该团队采用杂化泛函水平的密度泛函理论（density functional theory, DFT），研究 β-Ga₂O₃/(AlxGa1-x)₂O₃ 界面，将赝晶应变效应自洽纳入带阶计算，并结合技术计算机辅助设计（technology computer-aided design, TCAD）模型探究器件电学特性，旨在揭示生长取向与应变在异质结精确建模中的关键作用。

        该团队研究了合金化与生长取向对超宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 及赝晶 (AlxGa1-x)₂O₃ 合金异质结电子性质的影响。采用基于第一性原理的密度泛函理论，结合 Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE）杂化泛函，计算了不同铝浓度及四种生长取向——即 (100)B、(010)、(001)B 和 (-201)——下的带阶。研究发现带阶存在显著差异，归因于受应变的赝晶合金。将带阶值输入肖特基势垒二极管的 TCAD 模型，所得电流-电压（I-V）和电容-电压（C-V）特性与近期实验测量在正向偏压区域吻合良好。负偏压区域的差异源于本研究中所考虑肖特基结的理想性。研究结果凸显了生长取向与应变在 β-Ga₂O₃ 基 SBD 精确建模中的关键作用。

        ①采用超晶格结构直接建模真实异质结界面，而非孤立平板；将赝晶应变效应自洽纳入带阶计算，克服了以往忽略应变和界面化学键合的缺陷。

        ②系统对比了四种生长取向的带阶差异，发现 (100)B 取向带阶最大（价带阶 VBO=0.53 eV，导带阶 CBO=2.44 eV），(-201) 取向最小（VBO=−0.05 eV），且 (-201) 取向呈现独特的 I 型跨隙带阶，与其他取向类型不同，解释了文献中 CBO 值差异高达 1.5 eV 的原因。

        ③将 DFT 计算的带阶参数直接输入 TCAD 器件仿真，实现原子尺度到器件尺度的衔接，仿真了不同取向下 SBD 的 I-V 和 C-V 特性，并与实验数据验证吻合。

        ④揭示取向可定制器件性能 — (100) 取向获极高 I_ON/I_OFF 比，(-201) 取向实现低开启电压和高正向电流，为功率器件的取向工程提供理论指导。

        ⑤阐明 Al 取代主要调控导带（O 2p 态对价带影响小），以及不同偏压区域输运机制从扩散到隧穿的转变规律。

        团队使用 Heyd-Scuseria-Ernzerhof 杂化泛函和技术计算机辅助设计（TCAD）模型进行了计算建模，研究了 Ga₂O₃/(AlxGa1-x)₂O₃ 异质结中不同生长取向和合金组分下的带阶、I-V 和 C-V 特性。晶格失配引起的应变同时影响 VBM 和 CBM，由于单斜相的高各向异性，在 (-201)、(010)、(001) 和 (100) 取向之间观察到不同的行为。该团队通过将应变对体相能级和界面处势能排列的影响纳入考量，以确保一致的参考，检验了应变对带阶的影响。对生长取向和应变的高度敏感性可以解释先前发表结果中的差异。此外，该团队报道了四种生长取向下 Ga₂O₃/(Al₀.₂₅Ga₀.₇₅)₂O₃/Pt SBD 的 C-V 和 I-V 仿真，揭示了由于不同材料电子亲和能及由此产生的导带阶而导致的显著取向依赖性。为验证该发现，团队对 Al 浓度为 22% 和 21% 的实验 I-V 结果进行了仿真和比较，在正向偏压下取得了合理的一致性。这些结果为器件结构和潜在缺陷提供了见解，并凸显了取向与应变工程在优化宽禁带功率电子器件中的关键作用。

图1. β-Ga₂O₃ 与 θ-Al₂O₃ 在 (100)B、(010)、(001)B 和 (-201) 取向下的计算带阶（单位：eV）。

图2.采用超晶格结构计算得到的 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 导带底（CBM）和价带顶（VBM）的绝对能量（单位：eV）。水平黑色虚线表示 β-Ga₂O₃ 的 CBM 和 VBM。所示数值相对于真空能级，通过真空平板确定。

图3. (a) 不同取向 (-201)、(010)、(001) 和 (100) 下 Pt/(Al₀.₂₅Ga₀.₇₅)₂O₃/Ga₂O₃ SBD 的仿真 I-V 特性。电流的绝对值以对数纵轴显示。(b) 四种取向的能带图，示出功函数（WF_Pt）、电子亲和能和导带阶（ΔE_C）。(c) 相同取向的仿真 C-V 特性，突出电容随施加电压的变化。所有仿真中 (Al₀.₂₅Ga₀.₇₅)₂O₃ 的相对介电常数设为 11.15，层厚设为 30 nm。

图4. (Al₀.₂₁Ga₀.₇₉)₂O₃/Ga₂O₃ (010) SBD 的仿真（理想）与文献 [36] 实验 I-V 数据比较。仿真中 (Al₀.₂₁Ga₀.₇₉)₂O₃ 层厚度（200 nm）与文献 [36] 器件中使用的厚度相同。电子亲和能值 [(Al₀.₂₁Ga₀.₇₉)₂O₃ 为 3.60 eV，Ga₂O₃ (010) 为 3.95 eV] 由补充材料 [33] 表 S2 插值得到。插图示出仿真器件的示意图及各层的掺杂浓度。

图5. 考虑 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 层中不同缺陷浓度时 (Al₀.₂₂Ga₀.₇₈)₂O₃/Ga₂O₃ (010) SBD 的仿真 I-V 曲线。仿真中包含直接隧穿和陷阱辅助隧穿导电机制。