β-Ga?O?憑借其超寬禁帶（~4.85 eV）、高臨界擊穿場強及優異的巴利加優值（~3444），已成為電子與光電子領域的核心關鍵材料。然而，其低熱導率與p型摻雜困難兩大瓶頸，嚴重制約了相關器件的性能提升與產業化發展。將β-Ga?O?與高導熱p型寬禁帶半導體金剛石進行異質集成，是突破上述瓶頸的有效技術路徑，由此形成的氧化鎵/金剛石異質結在功率器件與光電器件領域具有廣闊的應用前景。能帶對齊是決定異質結器件性能的核心因素，現有實驗研究因表面取向、界面終端類型及測量方法的差異，測得的價帶臺階存在顯著離散性（1.12–2.9 eV）。理論研究雖能獲得精準的價帶臺階數值，但受限于界面建模的復雜性及界面成鍵的多樣性，目前針對β-Ga?O?/金剛石異質結的系統理論研究仍較為匱乏，亟需開展深入探究。
武漢大學張召富教授團隊近日在 Applied Physics Letters 上發表了題為 Theoretical insights into β-Ga2O3/diamond heterojunction interfaces: Surface selection, band alignment, and interfacial interaction(氧化鎵/金剛石異質結界面的理論研究：晶面選擇、能帶對齊與界面相互作用)的文章。武漢大學博士生馮嘉仁為論文第一作者，武漢大學集成電路學院劉勝院士團隊的張召富教授為論文通訊作者。
本研究采用密度泛函理論（DFT），針對實驗已報道的晶面組合，系統開展β-Ga?O?/金剛石異質結的界面性質研究。所構建的共價鍵合與氫終端兩種界面模型，均滿足電子計數規則且具有負形成能，表明其具有良好的熱力學穩定性。計算結果顯示，所有異質結均呈現II型能帶排列特征；其中，共價鍵合界面的價帶臺階值介于1.84 eV至2.78 eV之間，該數值受材料各向異性及晶格失配應變的協同調控，證實了通過合理選擇表面取向可實現界面勢壘的有效調控。此外，在界面施加氫終端處理，可使價帶臺階顯著提升1.11-1.88 eV，最大可達3.89 eV。
界面電荷轉移分析表明，電子主要從金剛石側轉移至β-Ga?O?側，其轉移模式由原子電負性差異主導。在共價鍵合界面中，界面處存在明顯的能帶彎曲現象（β-Ga?O?價帶頂上彎、金剛石導帶底下彎），這種彎曲效應降低了實際界面勢壘，有利于載流子的高效傳輸。與之相反，氫終端會在界面處引入范德華間隙，該間隙形成類似真空的勢壘層，嚴重阻礙載流子的本征輸運，同時導致系統費米能級無法完全對齊，進而在耗盡區形成內建電場，影響界面電荷輸運特性。
本研究通過系統的理論計算，明確揭示了不同表面取向及終端條件下β-Ga?O?/金剛石異質結的界面特性規律。研究發現，通過選擇不同的晶面組合，可實現價帶臺階近1 eV的動態調控；而氫終端處理可進一步將價帶臺階提升1.11-1.88 eV，為界面勢壘的精準調控提供了可行路徑。
從應用場景來看，共價鍵合界面具有適中的價帶臺階及利于載流子傳輸的界面能帶彎曲特性，更適用于光電探測器等對載流子輸運效率要求較高的器件；氫終端界面雖因巨大的價帶臺階及范德華勢壘，不利于光生載流子的收集，但其具備優異的載流子阻擋性能與界面鈍化能力，在抑制漏電流、作為β-Ga?O?外延襯底等場景中展現出獨特優勢。本研究成果為β-Ga?O?/金剛石異質結器件的結構設計、性能優化及應用拓展提供了重要的理論支撐與指導。
03
圖文解析
圖1 不同晶面和不同終端的氧化鎵/金剛石界面原子結構弛豫圖。
圖2 (a) β-Ga2O3(-201)/金剛石(100)、(b) β-Ga2O3(-201)/氫終端金剛石(100)的差分電荷密度圖；(c) β-Ga2O3(-201)/金剛石(100)、(d) β-Ga2O3(-201)/氫終端金剛石(100)的靜電勢分布圖。
圖3 不同表面取向與終端下β-Ga2O3/金剛石界面的能帶對齊圖。為統一比較，將β-Ga2O3的價帶頂設為0 eV。
圖4 (a) β-Ga2O3(-201)/金剛石(100)、(b) β-Ga2O3(-201)/氫終端金剛石(100)界面的分波態密度圖；(c) β-Ga2O3(-201)/金剛石(100)、(d) β-Ga2O3(-201)/氫終端金剛石(100)的能帶對齊示意圖。
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來源：DOI: 10.1063/5.0314023
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