武漢大學(xué)張召富教授團(tuán)隊(duì)近日在 Applied Physics Letters 上發(fā)表了題為 Theoretical insights into β-Ga₂O₃/diamond heterojunction interfaces: Surface selection, band alignment, and interfacial interaction(氧化鎵/金剛石異質(zhì)結(jié)界面的理論研究：晶面選擇、能帶對(duì)齊與界面相互作用)的文章。武漢大學(xué)博士生馮嘉仁為論文第一作者，武漢大學(xué)集成電路學(xué)院劉勝院士團(tuán)隊(duì)的張召富教授為論文通訊作者。

一、 背景

β-Ga₂O₃憑借其超寬禁帶（~4.85 eV）、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)及優(yōu)異巴利加優(yōu)值（~3444），已成為電子與光電子領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。然而，其低熱導(dǎo)率與p型摻雜難題制約了器件發(fā)展。將β-Ga₂O₃與高導(dǎo)熱p型寬禁帶半導(dǎo)體金剛石異質(zhì)集成，是突破上述瓶頸的有效策略，氧化鎵/金剛石異質(zhì)結(jié)在功率與光電器件領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。能帶對(duì)齊是決定異質(zhì)結(jié)性能的關(guān)鍵。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究由于表面取向、界面終端及測(cè)量方法的差異，測(cè)量出的價(jià)帶臺(tái)階呈現(xiàn)顯著的差異（1.12–2.9 eV）。理論研究能夠得到準(zhǔn)確的價(jià)帶臺(tái)階值，然而，受限于界面建模與成鍵復(fù)雜性，針對(duì)β-Ga₂O₃/金剛石界面的理論研究仍較匱乏。

二、 主要內(nèi)容

本研究采用密度泛函理論，系統(tǒng)研究了基于實(shí)驗(yàn)已報(bào)道晶面組合的β-Ga₂O₃/金剛石異質(zhì)結(jié)。所有構(gòu)建的共價(jià)鍵合與氫終端界面模型均滿足電子計(jì)數(shù)規(guī)則并具有負(fù)的形成能。計(jì)算表明，所有異質(zhì)結(jié)均呈現(xiàn)II型能帶排列，共價(jià)鍵合界面的價(jià)帶臺(tái)階值介于1.84 eV至2.78 eV之間，受材料各向異性與晶格失配應(yīng)變調(diào)控，證實(shí)了通過表面選擇調(diào)控界面勢(shì)壘的有效性。施加氫終端可進(jìn)一步使價(jià)帶臺(tái)階顯著增大1.11-1.88 eV，最大可達(dá)3.89 eV。界面電荷轉(zhuǎn)移分析顯示，電子從金剛石側(cè)轉(zhuǎn)移至β-Ga₂O₃側(cè)，其具體模式受原子電負(fù)性支配。在共價(jià)鍵合界面，界面處的能帶彎曲（β-Ga₂O₃價(jià)帶頂上彎，金剛石導(dǎo)帶底下彎）降低了實(shí)際界面勢(shì)壘，有利于載流子傳輸。然而，氫終端在界面引入了范德華間隙，其產(chǎn)生的類似真空的勢(shì)壘層嚴(yán)重阻礙了載流子的本征輸運(yùn)，并導(dǎo)致系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)未能完全對(duì)齊，在耗盡區(qū)形成內(nèi)建電場(chǎng)。

三、 總結(jié)

本理論研究系統(tǒng)揭示了不同表面和終端條件下β-Ga₂O₃/金剛石異質(zhì)結(jié)的界面性質(zhì)。研究表明，通過選擇不同的晶面組合，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)價(jià)帶臺(tái)階近1 eV；而施加氫終端可進(jìn)一步將價(jià)帶臺(tái)階增大1.11-1.88 eV。共價(jià)鍵合界面具有適中的價(jià)帶臺(tái)階和有利于載流子傳輸?shù)慕缑婺軒澢?，更適合應(yīng)用于光電探測(cè)器。而氫終端界面雖然因巨大的價(jià)帶臺(tái)階和范德華勢(shì)壘而不利于光生載流子的收集，但其優(yōu)異的載流子阻擋特性與界面鈍化能力，使其在需要抑制漏電流、作為β-Ga₂O₃外延襯底等應(yīng)用場(chǎng)景中頗具潛力。該工作為β-Ga₂O₃/金剛石異質(zhì)結(jié)器件的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。

圖1 不同晶面和不同終端的氧化鎵/金剛石界面原子結(jié)構(gòu)弛豫圖。

圖2 (a) β-Ga₂O₃(-201)/金剛石(100)、(b) β-Ga₂O₃(-201)/氫終端金剛石(100)的差分電荷密度圖；(c) β-Ga₂O₃(-201)/金剛石(100)、(d) β-Ga₂O₃(-201)/氫終端金剛石(100)的靜電勢(shì)分布圖。

圖3 不同表面取向與終端下β-Ga₂O₃/金剛石界面的能帶對(duì)齊圖。為統(tǒng)一比較，將β-Ga₂O₃的價(jià)帶頂設(shè)為0 eV。

圖4 (a) β-Ga₂O₃(-201)/金剛石(100)、(b) β-Ga₂O₃(-201)/氫終端金剛石(100)界面的分波態(tài)密度圖；(c) β-Ga₂O₃(-201)/金剛石(100)、(d) β-Ga₂O₃(-201)/氫終端金剛石(100)的能帶對(duì)齊示意圖。

DOI: 

10.1063/5.0314023

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)