武漢大學(xué)劉勝院士、郭宇錚教授和張召富教授團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Applied Physics 發(fā)布了一篇名為 Metal contacts and Schottky barriers at β-Ga₂O₃ interfaces: High-throughput-assisted first-principles calculations（β-Ga₂O₃ 界面的金屬接觸和肖特基勢(shì)壘：高通量輔助第一性原理計(jì)算）的文章，該篇內(nèi)容被 Journal of Applied Physics 評(píng)選為編輯推薦（Editor’s pick）文章。

1. 項(xiàng)目支持

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（NNSFC）（Grant Nos. 62174122、52302046、U2241244、62361166628 和 L2424216）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（Grant Nos. 2024A1515011764、2022A1515110149 和 2024A1515010383）、武漢曙光知識(shí)創(chuàng)新計(jì)劃（Grant No. 2023010201020262）、江蘇省自然科學(xué)基金（Grant No. BK20230268）以及湖北省電子制造與封裝集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)）開放基金（Grant No. EMPI2024020）的支持。文中的計(jì)算工作由武漢大學(xué)超算中心提供支持。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為超寬帶隙半導(dǎo)體（帶隙~4.8 eV），憑借高擊穿電場(chǎng)（8 MV/cm）和低成本制備等優(yōu)勢(shì)，成為新一代功率器件的理想候選材料。然而，β-Ga₂O₃ 器件性能受限于金屬/β-Ga₂O₃ 界面特性，尤其是肖特基勢(shì)壘高度（SBH）。β-Ga₂O₃ 的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含不同配位的 Ga/O 原子，導(dǎo)致其具有各向異性，且由于費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)的影響，使得傳統(tǒng) Schottky-Mott 模型難以適用。而實(shí)驗(yàn)得到的金屬/β-Ga₂O₃ 界面的 SBH 與金屬功函數(shù)的關(guān)系存在矛盾，且理論研究多聚焦于 β-Ga₂O₃ 的單一晶面或少數(shù)金屬。亟需系統(tǒng)性研究 β-Ga₂O₃ 不同晶面與金屬組合的界面特性，以指導(dǎo) β-Ga₂O₃ 基器件中電極材料的設(shè)計(jì)。

3. 文章摘要

金屬電極與 β-Ga₂O₃ 形成的界面是 β-Ga₂O₃ 基電子和光電器件的關(guān)鍵組成部分。雖然已有少數(shù)關(guān)于金屬/β-Ga₂O₃ 界面電學(xué)性質(zhì)的研究，但這些研究主要聚焦于單一晶面的 β-Ga₂O₃ 或少數(shù)幾種金屬。本研究通過高通量界面預(yù)測(cè)與生成方案，從數(shù)千萬種候選組合中自動(dòng)篩選出具有最小晶格失配率和界面面積的九種金屬/β-Ga₂O₃ 界面體系，并基于第一性原理計(jì)算系統(tǒng)研究了這些界面的金屬接觸特性。計(jì)算結(jié)果表明，金屬/β-Ga₂O₃ 界面的肖特基勢(shì)壘高度（SBHs）與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。其中，Al/β-Ga₂O₃ (100)、Ti/β-Ga₂O₃ (100)、Ni/β-Ga₂O₃ (100) 和 Co/β-Ga₂O₃ (-201) 界面表現(xiàn)出較低的n型肖特基勢(shì)壘和較高的電子轉(zhuǎn)移效率，表明 Al、Ti、Ni 和 Co 可作為理想的歐姆接觸電極材料。更重要的是，還獲得了多個(gè)具有優(yōu)異接觸特性的金屬/β-Ga₂O₃ 界面原子結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在理論和實(shí)驗(yàn)研究中均未被報(bào)道。這些發(fā)現(xiàn)為 β-Ga₂O₃ 功率器件中金屬電極材料的理性選擇及器件性能優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。

4. 計(jì)算細(xì)節(jié)

•本研究所有計(jì)算均基于密度泛函理論（DFT）。具體而言，肖特基勢(shì)壘高度（SBHs）的計(jì)算使用 QuantumATK 軟件完成，其他計(jì)算任務(wù)通過 VASP 軟件包實(shí)現(xiàn)。

•采用 Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE） 交換關(guān)聯(lián)泛函結(jié)合投影綴加波贗勢(shì)，對(duì)金屬/β-Ga₂O₃ 界面原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，直至體系能量和原子受力分別收斂至 1.0×10^-5 eV 和 0.01 eV/Å 閾值。

•鑒于 PBE 方法對(duì) β-Ga₂O₃ 帶隙存在顯著低估問題，金屬/β-Ga₂O₃ 界面電學(xué)性質(zhì)的計(jì)算采用 Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE）雜化泛函以獲得更精確的結(jié)果。

5. 創(chuàng)新點(diǎn)

•獲得了多個(gè)具有優(yōu)異接觸特性的金屬/β-Ga₂O₃ 界面原子結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在理論和實(shí)驗(yàn)研究中均未被報(bào)道。

•發(fā)現(xiàn) Al/β-Ga₂O₃ (100)、Ti/β-Ga₂O₃ (100)、Ni/β-Ga₂O₃ (100) 和 Co/β-Ga₂O₃ (201) 具有相對(duì)較低的 n 型肖特基勢(shì)壘和較高的電子轉(zhuǎn)移效率，可作為歐姆接觸電極。

6. 結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)采用高通量 IPG 方案構(gòu)建并系統(tǒng)研究了九種具有最小晶格失配率和界面面積的金屬/β-Ga₂O₃ 界面接觸特性。結(jié)果表明，由于 β-Ga₂O₃（-201）晶面的不對(duì)稱性，Sc/β-Ga₂O₃ 和 Co/β-Ga₂O₃ 界面表現(xiàn)出最小的層間距和最低的結(jié)合能。不同金屬形成的 β-Ga₂O₃ 界面肖特基勢(shì)壘高度（SBHs）相似，表明金屬/β-Ga₂O₃ 界面存在強(qiáng)釘扎效應(yīng)。此外，n 型 SBHs 與金屬功函數(shù)呈現(xiàn)顯著線性關(guān)系（釘扎因子0.17），與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)值高度吻合，表明基于 IPG 方法構(gòu)建的金屬/β-Ga₂O₃ 界面原子結(jié)構(gòu)能夠有效捕捉強(qiáng)釘扎效應(yīng)。理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了費(fèi)米能級(jí)釘扎源于 β-Ga₂O₃表面態(tài)與金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)的共同作用。值得注意的是，Al/β-Ga₂O₃ (100)、Ti/β-Ga₂O₃ (100)、Ni/β-Ga₂O₃ (100) 和 Co/β-Ga₂O₃ (-201) 界面具有較低的n型肖特基勢(shì)壘和較高的電子轉(zhuǎn)移效率，表明Al、Ti、Ni 和 Co 作為歐姆接觸電極的潛力。本研究不僅為 β-Ga₂O₃ 功率器件金屬電極的理性選擇提供了重要理論依據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證了 IPG 方案在高質(zhì)量半導(dǎo)體界面設(shè)計(jì)中的普適性和有效性。

7. 圖文內(nèi)容

圖 1. 金屬/β-Ga₂O₃ 界面結(jié)構(gòu)高通量界面預(yù)測(cè)與生成方案的工作流程。

圖 2. (a) Ti (100)/β-Ga₂O₃ (100)、(b) Ni (100)/β-Ga₂O₃ (100)、(c) Au (100)/β-Ga₂O₃ (100) 和 (d) Pt (100)/β-Ga₂O₃ (001) 界面的原子結(jié)構(gòu)。(e) 界面結(jié)合能與層間距離的關(guān)系。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0256577

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