用于紫外线光电探测器的合金氧化物（AlxInyGa1-x-y)2O3的研究

关键词：AlInGaO，能带性质，有效质量，MedeA VASP，MedeA Electronics

1. 案例背景

近年来，单斜晶系氧化镓（β-Ga2O3）因其宽带隙特性在大功率场效应晶体管（FET），紫外（UV）光电探测器等技术应用领域中引起了广泛关注。最近虽然已经报道了由β-Ga2O3构建的三元合金如 (AlxGa1-x)2O3和(InxGa1-x)2O3，但还没有关于β-Ga2O3基四元合金材料的文献。目前对β-Ga2O3基合金材料的性能了解仍有限，而基于β-Ga2O3四元合金材料光电性能的研究对于挖掘其在器件中的潜在应用至关重要。本案例首次研究了β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金的电子性质，讨论Al和ln原子含量对β-Ga2O3四元合金的电子能带结构、晶格常数，有效质量的影响。

2. 建模与性质计算

作者先通过MedeA Environment中的 InfoMaticA 数据库搜索单斜晶系氧化镓（β-Ga2O3）。然后通过 Supercell Builder创建β-Ga2O3超晶胞，采用Random Substitutions随即取代工具，将Al和In原子按一定比例替换β-Ga2O3超晶胞中Ga原子获得β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金。接着，作者使用 MedeA-VASP 模块计算了Al含量（x）和In含量（y）高达18.75％的β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金的几何结构和电子性质，采用MedeA-Electronics模块计算了有效质量。

3. 结果分析

3.1 几何结构

作者利用建模工具Random Substitutions构建β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金时，所有被取代的Ga原子都是位于β-Ga2O3晶体结构中形成能更低的八面体位置，如图1 所示。此外由于β-Ga2O3合金中会出现相分离问题，本案例研究中不考虑具有高稀释含量的β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金。随后作者采用 MedeA-VASP 模块优化不同含量的合金结构，用于接下来的电子性质计算和分析。

图1 Al/In原子替位β-Ga2O3超晶胞的Ga原子，得到Al/In含量不同的β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金

3.2 性质分析

根据DFT计算得到不同Al/In含量合金的能带性质，所有合金均表现出间接带隙特征的能带结构，与β-Ga2O3一致。合金的导带底始终位于布里渊区的Г点，而价带顶不在Г点。当ln的含量等于或高于Al的含量时，价带顶从Г-Z方向移动到Г-Y方向，即杂质不仅会影响导带，还有价带位置。图2是x和y等于6.25％的β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金能带结构。

图2第一性原理计算出x和y等于6.25％的β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金能带结构

同时作者研究了x和y为0％至18.75％的β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金带隙与Al和In含量的关系，如图3所示。当x和y低于12.5％时，合金的带隙与杂质含量之间具有大致的线性关系，而当x和y超过12.5％时，由于杂质含量相对较高导致晶体结构变形，曲线发生了弯折。此外当Al含量从0％增加到18.75％时，β-(AlxGa1-x)2O3的直接带隙从4.835eV增加到5.171eV。当In含量上升到18.75％时，β-(InxGa1-x)2O3合金的含量从4.835eV降低到4.432eV。故，Al的掺入倾向于增大带隙，而In反之。

图3 β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金的带隙随Al和In含量的变化

最后，作者采用了MedeA-Electronics模块计算了不同方向上合金电子的平均有效质量，如图4所示。合金的电子有效质量值在0.22〜0.28m0之间，这与现有关于β-Ga2O3的报道相吻合。另外，β-(AlxGa1-x)2O3合金具有比β-(InyGa1-y)2O3合金更大的有效质量值，且合金的有效质量随着In含量增加而降低。所以，Al和ln原子能显著调节β-Ga2O3的电子有效质量。这一发现对于在探索紫外光电探测器应用中提高设备灵敏度具有重要意义。另外，作者对β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金的晶格参数进行了研究和分析，指出掺入Al和In将分别减小和增大合金的晶格常数。因此，通过适当调整Al和In的含量，可以在设计四元氧化物合金的能带结构的同时也满足与其氧化物合金晶格匹配的条件。

图4 Al和In含量高达18.75％的β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金的有效质量

4．总结

作者采用 MedeA-VASP 和MedeA-Electronics模块对Al和In含量在0-18.75％的四元β-(AlxInyGa1-xy)2O3合金的电子性质进行计算。当Al和In含量在0％-18.75％之间变化时，合金的能带结构表现出间接带隙特性，其带隙能量为5.171 eV至4.432 eV。本案例首次提出了Al/In含量对四元β-(AlxInyGa1-x-y)2O3合金带隙和有效质量的影响，其结果对于设计氧化物材料的器件建模和仿真至关重要。同时，合金带隙能量对应波长在240-280nm的区域，表明 β-(AlxInyGa1-xy)2O3合金在实现晶格匹配的深紫外光电探测器的巨大应用潜力。

参考文献： 

Xiaoli Liu and Chee-Keong Tan, 2019 IEEE Photonics Conference (IPC)

使用MedeA模块： 

• MedeA-InfoMaticA

• MedeA-VASP

• MedeA-Electronics