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β-Ga2O3掺Al的电子结构与能带特性研究

郑树文;范广涵;皮辉

【摘要】采用第一性原理的平面波超软赝势方法,对β-Ga2O3掺Al的AlxGa2-

xO3(x=0,0.5,1,1.5,2)合金进行结构优化、电子态密度和能带特性的研究。结果显

示,AlxGa2-xO3为间接宽能隙材料,能隙是由导带底Ga4s态和价带顶O2p态

共同决定,其弯曲系数分别为0.452eV(直接)和0.373eV(间接)。当增大Al的掺杂

量,AlxGa2-xO3的体积变小,总能量升高,能隙逐渐增大,这与实验结果相一

致。%First-principlesplan-wavepseudopotentialmethodwasusedto

calculatetheoptimizedparameters,e-lectrondensityofstatesandenergy

bandpropertiesofGa2-xAlxO3(x=0,0.5,1,1.5,2)alloysbydopingAlin-toβ-

Ga2O3.Itwasfoundthatβ-Ga2-xAlxO3wasindirectwide-bandgap

material,thebowingparameterwas0.452eVfordirectbandgapand0.373

eVforindirectbandgap.Thebandgapofβ-Ga2-xAlxO3wasdeterminedby

O2pstateofvalencebandmaximumandGa4sstateofconductionband

minimum.WhentheincreaseinAlconcentrationofGa2-xAlxO3,the

volumesdecreased,thetotalenergiesandthebandgapincreased,which

wasconsistentwiththeexperimentalresults.

【期刊名称】《功能材料》

【年(卷),期】2014(000)012

【总页数】6页(P12102-12107)

【关键词】第一性原理;β-Ga2O3;Al掺杂;电子结构;能带特性

【作者】郑树文;范广涵;皮辉

【作者单位】华南师范大学光电子材料与技术研究所，微纳光子功能材料与器件

重点实验室，广州510631;华南师范大学光电子材料与技术研究所，微纳光子功

能材料与器件重点实验室，广州510631;华南师范大学光电子材料与技术研究所，

微纳光子功能材料与器件重点实验室，广州510631

【正文语种】中文

【中图分类】O469;O471

1引言

透明导电氧化物具有透明和导电的双重特点，在太阳能电池、平板显示、光电器件

等领域有着广泛的应用，一直受到人们的关注。因材料能隙的制约，传统透明导电

氧化物（ITO，SnO2等）对紫外和深紫外的光有强吸收，所以限制了它在短波长

领域的发展。单斜β－Ga2O3是一种宽禁带半导体材料（Eg＝4.9eV［1］），

具有良好物理化学特性，比GaN和ZnO材料有更大能隙，可望用于制作波长更

短的新型光电器件［2－3］。

Ga2O3材料有多种相结构，但只有β相能在低温至高温稳定存在。本征β－Ga2

O3材料的导电性能差，制约其用作透明导电材料。为了改善β－Ga2O3材料的

导电性能，研究人员开展了大量研究工作，目前，β－Ga2O3掺Sn的n型改性

工作较为深入。Shigeo教授［4］用浮区法制备出β－Ga2O3∶Sn薄膜的电阻率

为7.92×10－2Ω·cm，对应的载流子浓度为0.98×1018cm－3。Ueda研究小组

［5］通过优化β－Ga2O3∶Sn样品的Sn掺杂量获得电导率为38S／cm，同时

发现当增大Sn掺入量，β－Ga2O3∶Sn薄膜吸收峰发生红移，即光学能隙变窄。

但目前获得的β－Ga2O3∶Sn薄膜导电性还不够高，仍不适用作透明导电薄膜，

所以研究人员开展其它元素的β－Ga2O3掺杂研究。由于高价态原子替位掺杂在

In2O3材料中实现很好的n型导电改性［6］，所以Rubio等［7］采用溅射

法开