由西安理工大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件研究團(tuán)隊(duì)的賀小敏老師團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Semiconductor Science and Technology 發(fā)布了一篇名為 The impact of composite defects Vⁱ_O(Ga) on the electrical properties of β-Ga₂O₃/AlN heterojunctions（復(fù)合缺陷Vⁱ_O(Ga)對(duì) β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)電學(xué)性質(zhì)的影響）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（Grant Nos. 62474139、62104190、61904146）、西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No. 2023JH-GXRC-0122）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（Program No. 2024JC-YBQN-0655）及陜西省杰出青年科學(xué)家基金（2021JC-25）的資金支持。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其超寬的禁帶寬度和較大的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)異的材料特性，已成為下一代大功率電子器件最具前景的材料之一。然而，極低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致器件工作時(shí)產(chǎn)生顯著的自熱效應(yīng)，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用性能與可靠性。為解決這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，將 β-Ga₂O₃ 與高熱導(dǎo)率襯底材料集成構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最有效的熱管理策略之一。其中，氮化鋁（AlN）因其優(yōu)異的熱導(dǎo)性被視為 β-Ga₂O₃ 最理想的異質(zhì)結(jié)材料之一。β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高電子遷移率晶體管（HEMT）功率器件中展現(xiàn)出突破性的應(yīng)用潛力。然而器件的最終性能本質(zhì)上受限于異質(zhì)結(jié)界面的質(zhì)量——界面處存在的空位及其復(fù)合缺陷會(huì)形成深能級(jí)陷阱中心，不僅增強(qiáng)載流子散射效應(yīng)，更會(huì)顯著降低二維電子氣（2DEG）的面密度和遷移率。雖然目前對(duì)單一類型點(diǎn)缺陷的研究已取得一定進(jìn)展，但對(duì)于實(shí)際工藝中更可能存在的復(fù)合缺陷對(duì)界面特性的影響機(jī)制，仍缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí)。這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的解決對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能 β-Ga₂O₃/AlN 基電子器件具有重要意義。

3. 主要內(nèi)容

由于 β-Ga₂O₃ 和 AlN 之間存在顯著的晶格失配與熱膨脹系數(shù)差異，異質(zhì)結(jié)界面處不可避免地會(huì)產(chǎn)生空位、間隙原子等結(jié)構(gòu)缺陷。本研究基于密度泛函理論（DFT），系統(tǒng)研究了理想界面及含 O-Al(Vⁱ_O)、O-N(Vⁱ_O) 和 Ga-N(Vⁱ_Ga) 缺陷界面的電子特性。結(jié)果表明：復(fù)合缺陷會(huì)顯著重構(gòu)界面原子結(jié)構(gòu)，其中 O-N(Vⁱ_O) 界面的結(jié)構(gòu)畸變最為突出；形成能與結(jié)合能計(jì)算表明，復(fù)合缺陷比單點(diǎn)缺陷更易形成，其中 O-Al(Vⁱ_O) 界面缺陷形成能最低但穩(wěn)定性較差，Ga-N(Vⁱ_Ga) 界面則表現(xiàn)出最優(yōu)的熱力學(xué)穩(wěn)定性；電子結(jié)構(gòu)分析揭示禁帶中的缺陷態(tài)主要由β-Ga₂O₃ 側(cè)的原子軌道貢獻(xiàn)；Bader 電荷分析顯示所有界面均存在從 AlN 指向 β-Ga₂O₃ 的電荷轉(zhuǎn)移，形成內(nèi)建電場(chǎng)，其中理想 O-N 界面具有最強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移能力，最有利于高濃度二維電子氣（2DEG）的形成；O-N(Vⁱ_O) 缺陷界面相較于理想界面表現(xiàn)出最顯著的電勢(shì)差衰減。本研究表明復(fù)合缺陷會(huì)顯著降低 2DEG 面密度，因此在材料外延生長(zhǎng)過(guò)程中必須精確控制缺陷以調(diào)控器器件載流子輸運(yùn)性能。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

•采用密度泛函理論（DFT）方法，首次對(duì) β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)界面復(fù)合缺陷的電子特性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

•研究揭示了復(fù)合缺陷相較于單一缺陷具有更低形成能的物理本質(zhì)，并闡明了其對(duì)界面電學(xué)性能的影響。

•研究結(jié)果為實(shí)驗(yàn)研究提供了理論指導(dǎo)，指出在外延生長(zhǎng)過(guò)程中有效抑制復(fù)合缺陷的形成是實(shí)現(xiàn)高性能 β-Ga₂O₃/AlN 高電子遷移率晶體管（HEMT）器件的關(guān)鍵因素。

5. 結(jié)論

本文采用第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)研究了 β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)理想界面和含有復(fù)合缺陷界面的電子特性。復(fù)合缺陷的引入顯著地改變了界面層間距（Δd），分別為 -0.02 Å、0.23 Å 和 0.09 Å，其中O-N(ViO)界面變化最為顯著。從形成能與結(jié)合能角度來(lái)看，復(fù)合缺陷 O-Al(Vⁱ_O)、O-N(Vⁱ_O) 界面復(fù)合缺陷結(jié)合能為 -0.469 eV/Ų，-0.324 eV/Ų，相較于單一缺陷的結(jié)合能都有所增加，表明其界面處的原子間結(jié)合強(qiáng)度變?nèi)?，然而，這些復(fù)合缺陷更容易形成（由其形成能決定），其中 O-Al 界面最易形成復(fù)合缺陷，但穩(wěn)定性較差，而 Ga-N 界面的復(fù)合缺陷穩(wěn)定性最佳但形成難度最大。復(fù)合缺陷導(dǎo)致 O-Al 與 Ga-N 界面呈現(xiàn)部分金屬特性，禁帶中出現(xiàn)由 β-Ga₂O₃ 的 O 和 Ga 原子態(tài)密度導(dǎo)致的缺陷能級(jí)。在具有 O-Al(Vⁱ_O)、O-N(Vⁱ_O) 和 Ga-N(Vⁱ_Ga) 界面的異質(zhì)結(jié)中，AlN 側(cè)的靜電勢(shì)均低于 β-Ga₂O₃ 側(cè)，因此電荷從 AlN 側(cè)向 β-Ga₂O₃ 側(cè)轉(zhuǎn)移。這一現(xiàn)象與差分電荷計(jì)算中觀察到的電荷轉(zhuǎn)移方向一致。這種由 AlN 向 β-Ga₂O₃的電荷轉(zhuǎn)移表明形成了從 AlN 指向 β-Ga₂O₃ 的內(nèi)建電場(chǎng)，靜電勢(shì)差（?Φ）越大，對(duì)應(yīng)的勢(shì)阱越深，電子積聚量也越大。由此可見(jiàn)，靜電勢(shì)分布間接反映了內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度。在復(fù)合缺陷界面中，O-N(Vⁱ_O) 界面表現(xiàn)出最大的電勢(shì)差，但其較理想 O-N 界面降低了 6.68 eV，這意味著電荷轉(zhuǎn)移量減少，從而削弱了內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度。相應(yīng)地，電荷轉(zhuǎn)移能力減弱，β-Ga₂O₃ 側(cè)形成的 2DEG 密度顯著降低。平均靜電勢(shì)差（?Ep）的計(jì)算結(jié)果同樣說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。其中理想 O-N 界面電荷轉(zhuǎn)移量為 0.86 e，電荷轉(zhuǎn)移能力最大，最有利于高密度二維電子氣（2DEG）的形成，O-Al(Vⁱ_O) 界面從 AlN 向 β-Ga₂O₃ 轉(zhuǎn)移 0.11 個(gè)電子，O-N(Vⁱ_O) 界面轉(zhuǎn)移 0.57 個(gè)電子，Ga-N(Vⁱ_Ga) 界面轉(zhuǎn)移 0.04 個(gè)電子。該轉(zhuǎn)移量級(jí)順序與理想界面一致，但與理想界面相比，復(fù)合缺陷的引入導(dǎo)致界面兩側(cè)電子轉(zhuǎn)移明顯減少。盡管復(fù)合缺陷使電荷轉(zhuǎn)移量降低，削弱了內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度和 2DEG 形成潛力，但 O-N(Vⁱ_O) 界面仍保持最優(yōu)的電荷轉(zhuǎn)移性能。本研究從原子電子尺度揭示了復(fù)合缺陷對(duì) β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)界面電子特性的調(diào)控機(jī)制，為開(kāi)發(fā)基于該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能 HEMT 器件提供了理論依據(jù)。

圖1. 復(fù)合缺陷模型： (a) O–Al(Vⁱ_O)，(b) O–N(Vⁱ_O)，(c) Ga–N(Vⁱ_Ga)，(d) β-Ga₂O₃ (100) 表面結(jié)構(gòu)和 AlN (0001) 表面結(jié)構(gòu)。

圖2. 理想異質(zhì)結(jié)（箭頭左側(cè)）與含復(fù)合缺陷異質(zhì)結(jié)（箭頭右側(cè)）的弛豫比較： (a) O–Al，(b) O–N，(c) Ga–N，(d) 復(fù)合缺陷與理想異質(zhì)結(jié)之間層間距（Å）的相對(duì)變化。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/addc14

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