关键词：Ga2O3，(BxGa1-x)2O3，合金，MedeA VASP，DFT

1. 案例背景

氧化镓（Ga2O3）近年来引起了人们极大兴趣，氧化镓能用于电力电子、太阳盲紫外探测器和传感器中，是最具前途的宽带隙半导体材料之一。Ga2O3材料具有较大带隙（4.8eV）、大临界电场（8 MV/cm）、高电子迁移率等特性，使其有超越Si、SiC和GaN材料的能力。鉴于Ga2O3和B2O3三元合金的发展及Ga2O3在半导体领域潜在应用，研究(BxGa1-x)2O3三元合金的性能是非常必要的。本案例中，作者采用第一性原理密度泛函理论(DFT)方法研究了(BxGa1-x)2O3三元合金中，B含量对结构和电子性能的影响。

2. 建模与性质计算

作者通过 Welcome to MedeA Bundle 中的 InfoMaticA 搜索了单斜Ga2O4（空间群C2/m）、正交B2O3（空间群CmC21）；通过Supercell Builders功能创建单斜和正交BGaO超胞结构，采用Substitution Search创建了不同B含量的BGaO合金。随后作者使用 MedeA-VASP 模块基于DFT理论对各结构进行优化，泛函选取GGA-PBEsol，截断能选取520 eV，K点采用k-spacing为0.25/Á；最后分析(BxGa1-x)2O3电子性质。

3. 结果分析

3.1 几何结构

作者利用MedeA软件中InfoMaticA搜索了单斜Ga2O4（空间群C2/m）、正交B2O3（空间群CmC21）（见图1）；通过SuperCell功能创建单斜和正交BGaO超胞结构。超胞由20-atom单斜Ga2O3（图1左侧）和20-atom正交B2O3（图1右侧）组成。单斜Ga2O3超胞中Ga原子被B原子取代，可形成12.5%-B BGaO合金，同样，用Ga原子取代，可构建B浓度高达100%的BGaO三元合金。

图1 20-atom 超胞结构构成（左侧）单斜Ga2O3; （右侧）正交B2O3

BGaO三元合金平衡体积及晶格常数a,b,c（正交参数用等表示）见表1。随着B在单斜Ga2O3中掺入，体系晶格参数和体积不断减小（除去Ga完全被B取代）。当B含量达到100%时，晶体体积急剧增加，超过初始单斜Ga2O3体积，与B含量高于87.5%时BGaO晶格常数变化一致。相反，BGaO合金在正交结构中，晶格参数随着Ga含量增加而增加。

表1 单斜及正交BGaO平衡体积和晶格参数

3.2 能带分析

为了进一步了解BGaO合金电子性质，作者采用MedeA-VASP 计算了BGaO合金能带结构，见图2。图2a中单斜B2O3作为其它材料参考，在单斜B2O3和Ga2O3之间存在type-II型能带排列，价带偏移量为0.552 eV，导带便宜量为2.576 eV。在正交B₂O₃和Ga2O3之间存在type-I型能带排列，B2O3和Ga2O3之间价带偏移量仅为0.344 eV，而导带偏移量为5.757 eV。较大的导带偏移量为正交BGaO作为电子阻挡层提供了机会。从图2b中可知，正交BGaOs VBM比较平坦，而CBM随着B含量增加而成线性上升。另一方面，当B含量达到87.5%时，单斜BGaO的VBM和CBM显著升高，导致氧化物直接存在较大的导带和价带偏移。

图2 (a)能带校正图单斜和正交B₂O₃、Ga2O3；(b) BGaO合金CBM和VBM

4．总结

作者利用MedeA-VASP基于DFT理论计算研究了不同组分单斜和正交BGaO三元合金，分析BGaO合金平衡体积、晶格参数、能带结构等性质。在Ga2O3中加入B会导致晶格常数降低，表明Ga2O3可能形成拉伸应变；电子结构分析表明，BGaO合金具有间隙带隙特性。本案例的研究具有非常重要的科学意义，为日后实现BGaO合金在电子器件中应用打下了坚实的基础。

参考文献： 

Xiaoli Liu, Cono Sammarco, Guosong Zeng et al. Investigations of monoclinic-and orthorhombic based  alloys. Appl. Phys. Lett. 117, 012104 (2020)

使用MedeA模块： 

• Welcome to MedeA Bundle

• MedeA-VASP