【供稿】APL丨厦门大学张洪良和武汉大学张召富教授团队:硅、锡掺杂 β-Ga₂O₃ 中掺杂剂依赖型缺陷态与载流子补偿的微观起源
- 2026-10-08 20:54:09
由厦门大学张洪良团队联合武汉大学张召富、中国科学院上海光学精密机械研究所齐红基、上海市宽禁带与超宽禁带半导体材料重点实验室、英国钻石光源等团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Microscopic origin of dopant-dependent defect states and carrier compensation in Si- and Sn-doped β-Ga₂O₃（硅、锡掺杂 β-Ga₂O₃ 中掺杂剂依赖型缺陷态与载流子补偿的微观起源）的文章。
该工作由厦门大学张洪良团队联合武汉大学张召富、中国科学院上海光学精密机械研究所齐红基、上海市宽禁带与超宽禁带半导体材料重点实验室、英国钻石光源等单位共同撰写。论文第一作者为厦门大学2021级博士研究生盛子千和武汉大学2023级博士研究生刘太巧，主要从事氧化镓外延薄膜电子结构、缺陷与掺杂理论计算研究。相关研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
背 景
氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种具有代表性的超宽禁带半导体材料，兼具高临界击穿场强和可通过熔体法制备大尺寸单晶衬底等优势，因此在高压功率电子领域展现出突出的性能潜力和成本优势。随着新能源汽车、智能电网、轨道交通、5G射频等产业快速发展，高效率、高耐压功率器件的需求持续增长，也进一步推动了氧化镓材料的应用价值提升。作为继SiC、GaN之后备受关注的第四代超宽禁带半导体材料，氧化镓已被列入我国“十五五”战略性材料发展布局，成为支撑新一代功率电子与先进半导体产业发展的关键方向之一。
在氧化镓材料走向规模化应用的过程中，其产业链条涉及衬底制备、外延生长、器件加工和系统应用等多个环节。外延薄膜连接上游材料基础与下游器件实现，是实现氧化镓器件高性能应用的关键支撑，其晶体质量、电学调控水平和缺陷控制能力，将直接影响器件的工作稳定性与可靠性。然而，当前氧化镓功率器件的实际性能与理论预期仍存在较大差距，其原因在于两大关键瓶颈：一是氧化镓内部还存在很高密度缺陷，二是p型掺杂极为困难。而外延薄膜作为器件的漂移层，其结晶质量和电学性质直接决定了器件漏电流、击穿场强和可靠性。掺杂是调节β-Ga₂O₃载流子浓度最直接且有效的手段，其激活效率和补偿行为直接决定外延层的导电特性与载流子输运性能。与此同时，掺杂引入的缺陷态会引起载流子补偿、迁移率退化和漏电流增强，是制约器件稳定运行和可靠性提升的重要因素。
主要内容
为厘清氧化镓外延薄膜中的掺杂机制与缺陷演化规律，研究团队采用高分辨同步辐射光电子能谱结合杂化泛函第一性原理计算，深入解析Si、Sn掺杂如何改变氧化镓的电子结构，并进一步识别掺杂过程中形成的缺陷态。这一研究有助于理解掺杂、缺陷与电子结构之间的内在关系，也为后续实现氧化镓外延薄膜的精准调控和高性能器件制备提供了重要支撑。研究系统揭示了Si/Sn掺杂β-Ga₂O₃中替位施主、镓空位及施主–空位复合缺陷的形成行为和电子结构特征。结果表明，Si对应更浅的施主能级，更有利于实现较高的掺杂激活效率，而Sn由于Sn 4d与O 2p轨道杂化能够稳定中性SnGa，表现出更深的施主能级。随着掺杂浓度升高，VGa逐渐成为主导受主型补偿缺陷，在富氧条件下Sn比Si更易与VGa形成复合缺陷，形成更稳定的Snic-VGa，表明Sn掺杂体系更易发生自补偿。电子结构分析表明，Sn掺杂更易引入局域化带内缺陷态，而Si掺杂则保持较离域的成键特征，说明施主-空位耦合和轨道杂化行为是决定β-Ga₂O₃掺杂补偿效应和缺陷态演化的关键机制。本研究结果对氧化镓薄膜的高效掺杂以及缺陷电子态形成机制提供重要支撑。
图1. (a) β-Ga₂O₃ 晶体结构，硅占据四面体 Ga1 位，锡占据八面体 Ga2 位；(b) 补充材料参考文献 S1–S33 报道的非故意掺杂（灰色）、硅掺杂（橙色）、锡掺杂（蓝色）氧化镓薄膜的霍尔迁移率随载流子浓度变化曲线。
图2. (a) 富氧与贫氧条件下 SnGa2 与 SiGa1 的形成焓 (ΔH)；(b) 本文与文献报道的 SnGa2、SiGa1 的电荷态跃迁能级 ε(0/+1) 对比；(c) 文献报道的硅、锡掺杂 β-Ga₂O₃ 施主激活能示意图，包含硅、锡掺杂薄膜的次级施主能级 D2。
图3. (a) 5900 eV 光子激发下，非故意掺杂、硅掺杂、锡掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的硬 X 射线光电子能谱导带与价带谱；(b) 导带与价带电子结构示意图。
图4. (a) 富氧、(b) 贫氧条件下，VGa1、VGa2、Snic-2VGa、Siic-2VGa 的形成焓 (ΔH)，并与文献 44 报道的 SnGa2-VGa2、SiGa1-VGa2 对比；(c) VGa1 与 VGa2、(d) SnGa2-VGa2 与 SiGa1-VGa2、(e) Snic-2VGa 与 Siic-2VGa 的原子构型。
图5. (a) SnGa2（q=+1）与 (b) Snic-2VGa（q=-3）的分态密度（左图）及对应电荷密度差（右图）。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0332528
文章由厦门大学张洪良教授供稿。
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