由西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授、馮倩教授的研究團隊在學術期刊 Computational Materials Science 發布了一篇名為 First-principles study of Mg-Ge co-doping to realize p-type β-Ga₂O₃ containing divacancy-interstitial complex defects（摻雜鎂-鍺以實現含有雙空位-間隙復合缺陷的 p 型 β-Ga₂O₃ 的第一性原理研究）的文章。

1. 項目支持

該項研究得到了國家自然科學基金（NSFC）的資助，Grants No. U21A20503，61974112，61974115。此外，項目研究還得到了電子元器件可靠性物理及應用技術科學與技術的資助。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為一種超寬禁帶（UWBG）半導體材料，其禁帶寬度為 4.9 eV，擊穿場強高達 8 MV/cm，巴利加優值為 3444，非常適合用于高功率器件、深紫外（DUV）光電探測器和透明導電薄膜等領域。然而，阻礙其廣泛應用的主要難題之一在于難以實現 p 型導電性。

雖然通過摻入 Si 和 Sn 已成功制備出 n 型的 β-Ga₂O₃，使載流子濃度達到 10¹⁵-10²⁰ cm^-3，但由于深受主能級和高缺陷形成能的存在，p 型摻雜仍難以實現。使用 Zn、Mg 和 N 元素引入 p 型導電性的嘗試遇到了高電阻率和深受主能級的問題，阻礙了空穴的激活。

現在的方法是利用 Ga 空位（V_Ga）缺陷，其可充當受主。然而，V_Ga 通常具有較高的形成能，因而對 p 型導電的效果較差。近期的研究表明，由兩個 Ga 空位與一個 Ga 間隙原子耦合而成的雙空位 - 間隙復合缺陷（2V_Ga1-Ga_ic）可能是一種更穩定的受主復合體。

本研究探討了這些復合缺陷的形成能和電子特性，探究了 Mg-Ge 共摻雜如何通過降低形成能和淺化受主能級來增強 β-Ga₂O₃ 的 p 型導電性。

3. 主要內容

項目研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 中的雙空位-間隙復合缺陷（記為 2V_Ga1-Ga_ic）以及通過共摻雜提高含 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型電導率。結果表明，單摻雜第 IV 族元素（Si、Ge 和 Sn）會降低 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能，但會提高受主能級。Ge 摻雜對形成能的影響最為顯著，與未摻雜情況相比，將 2VGa1-Ga_ic 的形成能從 4.58 eV 降至 3.61 eV。相比之下，單摻雜 Mg 和 Zn 原子會降低 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級，但會提高形成能。Mg 摻雜對受主能級的影響更好，與未摻雜情況相比，將 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級 ε(0/−1) 從價帶頂的 0.22 eV 降低至 0.04 eV。兩種單摻雜的優勢可以通過共摻雜來結合。Mg-Ge 共摻雜不僅降低了形成能，還使受主能級變淺，從而提高了空穴活化效率。因此，通過采用 Mg-Ge 共摻雜，可提高含 2V_Ga1-Ga_ic 的 β-Ga₂O₃ 的 p 型導電性，這一新方案為未來實現 p 型 β-Ga₂O₃ 提供了新的方向。

4. 研究亮點

• 研究了五種復合缺陷的相對穩定性。

• Si, Ge 和 Sn 單摻雜可降低復合缺陷系統的形成能。

• Mg 和 Zn 單摻雜可降低復合缺陷體系的受主能級。

• Mg-Ge 共摻雜可實現復合缺陷體系的 p 型摻雜。

5. 總結

該團隊研究了 β-Ga₂O₃ 中的雙空位-間隙復合缺陷以及摻雜對雙空位-間隙復合缺陷性質的影響。結果表明，在五種雙空位-間隙復合缺陷中，2V_Ga1-Ga_ic 是最穩定的構型。單摻雜 Si、Ge 和 Sn 原子顯著降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能。其中，Ge 摻雜效果最佳，尤其是在富氧條件下，Ge 摻雜的 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能降低至 3.61 eV。單摻雜 Mg 和 Zn 原子顯著降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的受主能級，其中 Mg 摻雜效果更佳。Mg-Ge 共摻雜結合了 Ge 摻雜和 Mg 摻雜的優點。這種共摻雜不僅降低了 2V_Ga1-Ga_ic 的形成能，還降低了其受主能級，從而提高了 p 型電導率。