使用κ-Ga?O?对Sc进行掺杂的第一性原理计算

通过密度泛函理论-PAW-PBE方法系统研究Sc掺杂κ-Ga?O?的带隙和自发极化调控机制，发现Sc含量从0.125增至0.5时，带隙扩大47%并降低吸收系数，同时自发极化增强39%至36.36 μC/cm2，揭示了Sc3?在Ga3?位替代引起的晶格畸变对电光性能的协同调控作用。

　　

Fabi Zhang|Haoyuan Na|Tangyou Sun|Zanhui Chen|Xingpeng Liu|Haiou Li|Peihua Wangyang|Shifeng Xie|Wanli Yang|Yue Li

广西精密导航技术及其应用重点实验室，微电子器件与集成电路重点实验室，桂林电子科技大学，桂林541004，中国

摘要

我们采用密度泛函理论结合混合泛函PAW-PBE方法，系统研究了Sc掺杂（x = 0.125–0.5）对κ-Ga?O?的结构、电子和光学性质的影响。研究发现，通过改变Sc的含量可以有效地调节带隙和自发极化强度。系统替代导致带隙显著扩展了47%，同时吸收系数也明显降低，从而建立了精确的能带工程参数。通过结构优化和收敛性验证，证实了Sc取代Ga位点所引起的晶格畸变效应。Berry相位分析量化了自发极化的变化，表明Sc3?掺杂通过沿[001]晶体轴的不对称阳离子位移使极化强度提高了39%（从26.67 uC cm?2增加到36.36 uC cm?2）。这项工作为宽带隙半导体的调制提供了一个预测性框架。

引言

氧化镓（Ga?O?）是一种超宽带隙半导体（Eg = 4.8-5.3 eV），由于其优异的化学惰性和热稳定性（>1700°C）[1]，已成为深紫外光电子学和下一代功率器件的有希望候选材料。这种材料的独特性质使其在太阳盲光电探测器（250 nm处响应度>10 A/W）[2]、火焰检测系统（检测限<1 ppm）[4]以及高性能金属氧化物半导体场效应晶体管（μFE >1000 cm2/V·s）[7]等关键应用中具有潜力。

在其六种多形体（α、β、γ、δ、ε、κ）中，正交晶系的κ-相因其巨大的自发极化强度（Ps = 26.7 μC cm?2）而受到广泛关注——这一极化强度是AlN的三倍，比GaN高出一个数量级。这种显著的极化效应促进了异质界面处二维电子气（2DEG）的形成，使得HEMTs的导通电阻极低（<0.1 Ω·mm），并且量子阱红外探测器的灵敏度超过1012 cm·Hz?.?/W[15]。重要的是，最近的研究揭示了极化强度与铁电材料光伏效率之间的协同关系，使κ-Ga?O?成为自供电光电子系统的典范候选材料。Wang等人通过极化对齐实现了高密度的二维电子气，在κ-Ga?O?/m-GaN界面获得了1×101? cm?2的载流子密度，从而实现了HEMTs的超低电阻通道[21]。Stoeffler证明，Fe掺杂通过Ga/Fe位点的不对称阳离子位移使Ps增加了38%（从24 μC cm?2增加到33 μC cm?2）[22]。Knie等人设计了κ-(Al?Ga??)?O?/κ-Ga?O?量子阱，其导带偏移ΔEc为0.8 eV，实现了应变可控的载流子传输[15]。

另一方面，对Sc掺杂Ga?O?的带隙工程研究已成为下一代宽带隙半导体的典范。Zhu的DFT计算显示，六方（Sc?Ga??）?O?合金的形成焓为负（-0.9 eV/f.u.），这有利于选择亚稳相而非传统的单斜结构[23]。Hlad等人通过MBE生长在Sc掺杂的β-Ga?O?薄膜中实现了12 MV/cm的击穿强度，0.8%的Sc掺入量通过缺陷复合使电阻增加了两个数量级[24]。然而，关于κ-相（Sc?Ga??）?O?合金的研究较少，但研究发现它可能在保持自发性质的同时实现带隙调节。这些发现为可调电子和铁电性质提供了基本见解。

在本研究中，我们使用基于VASP密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Sc掺杂的κ-Ga?O?。通过控制不同的掺杂浓度，我们阐明了调制机制，观察了单元格的结构、带隙和态密度的变化，并量化了在氧贫和氧富条件下Sc掺杂到不同Ga位置的难度。我们发现，通过改变Sc的含量可以调节带隙和自发极化性质。

模型与方法

本研究采用了基于密度泛函理论（DFT）的维也纳从头算模拟包（VASP）[30][31]，并结合了投影增强波（PAW）方法。电子结构计算在高精度下进行，使用了Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函和广义梯度近似（GGA）框架[32]，价电子配置如下：Ga: 4s24p1，O: 2s22p?，Sc: 3d14s2。

预模拟收敛协议包括...

能带工程

图6（a）展示了Sc掺杂变体的电子能带结构（x = 0, 0.125, 0.25, 0.5）。未掺杂的κ-Ga?O?的本征带隙为2.004 eV，与实验值（4.8-5.0 eV）[39][40]相比减少了43-50%，这是由于DFT-PBE方法在处理交换相关势不连续性时的固有局限性[41]。所有掺杂配置都保持了直接的带隙特征，即价带最大值（VBM）和...

自发极化计算

本文中的自发极化强度是通过Boone有效电荷（BEC）公式定性地计算的，公式如下[48][49]：$$其中Ω表示单元原子的体积，e表示电子的电荷。n表示单晶中的原子数量。u_n,zz表示NTH原子沿zz方向从对称准电相结构到铁电相结构的位移。Z*n表示NTH原子的BEC张量...

结论

本研究利用密度泛函理论（DFT）计算研究了Sc掺杂的κ-Ga?O?（x = 0.125, 0.25, 0.5）的结构稳定性、电子性质和铁电特性。结果表明，Sc替代Ga2位点的形成能最低，其次是Ga1位点，在氧富条件下形成能显著低于氧贫条件。随着Sc含量的增加（x），晶格发生变形...

CRediT作者贡献声明

Zanhui Chen：验证。 Tangyou Sun：形式分析。 Haiou Li：方法论，概念化。 Xingpeng Liu：验证。 Shifeng Xie：监督。 Peihua Wangyang：形式分析。 Yue Li：监督。 Wanli Yang：监督。 Fabi Zhang：方法论，概念化。 Haoyuan Na：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿

未引用的参考文献

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利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了广西科学技术计划项目（AD24010060, AD25069103）、国家自然科学基金（编号52262022, 62205080, 62174041, 62361022）以及广西研究生教育创新项目（编号YCBZ2025153）的支持。