ScxAl1-xN /GaN异质结能带对齐研究：设计基于GaN的功率和光电子设备
关键词：GaN，ScAlN，界面结构，能带性质，MedeA VASP，DFT
1. 案例背景
纤锌矿型III族氮化物半导体GaN，InN和AlN及其三元合金在固态照明，生物传感和高电子迁移率晶体管（HEMT）等领域取得了广泛应用。目前，GaN与III族氮化物合金之间严重的晶格失配，会导致高位错密度并阻碍GaN基功率和光电设备的性能。本案例中，作者通过第一性原理研究了晶格匹配度高的ScxAl1-xN合金与GaN形成的界面结构，并分析不同Sc含量下的导带和价带偏移。
2. 建模与性质计算
作者通过 MedeA Environment中的 InfoMaticA 数据库搜索 AlN 和GaN的晶胞结构。然后，采用Supercell Builder和Surface Builder 分别创建AlN和GaN的块体和表面结构，采用Random Substitutions随机取代建模工具，通过在AlN块体和表面体系中随机选取任意个数的Al原子替代成Sc原子，构造出x=0-0.25范围的ScxAl1-xN合金材料，如图1，则为取代了两个Sc原子的Sc0.125Al0.875N块体和表面体系。ScxAl1-xN/GaN界面结构通过Interfaces Builder界面建模工具创建。最后，作者采用 MedeA-VASP 模块基于DFT对不同体系进行结构优化，静电势和能带性质计算。
3. 结果分析
为了能够准确计算异质界面的异质结价带偏移（VBO），作者采用了potential lineup方法，VBO即为各体系的能带结构项（ΔEV）和静电项（ΔV）之和。
图1（a）Sc0.125Al0.875N合金超晶胞，其中包括2个Sc原子，14个Al原子和16个N原子。（b）Sc0.125Al0.875N合金表面结构，由32个原子和一个真空区域组成
作者先采用MedeA-VASP模块对Sc0.125Al0.875N和GaN的块体和表面体系进行结构优化，然后计算两种电子性质：Total local potential和band structure，通过MedeA-Analysis进行可视化结果分析。图2即为Sc0.125Al0.875N和GaN板层体系的静电势平面平均值和宏观平均值，即可确定两种材料静电势宏观平均值之差ΔV。接着，通过对块体体系的计算，可得到静电势宏观平均值与价带顶之差，即为能带结构项ΔEV。由此，Sc0.125Al0.875N/GaN异质结的价带偏移值（VBO）为能带结构项ΔEV和静电项ΔV之和。
图2 根据DFT-LDA函数计算，Sc0.125Al0.875N和GaN表面附近静电势的平面平均值（蓝线）和宏观平均值（红线）。真空能级（虚线）设置为0 eV。Sc0.125Al0.875N和GaN合金的宏观平均电势的平均值（实线绿线）
接着，作者计算了Sc含量范围为0％到25％的ScxAl1-xN/GaN异质结价带偏移（VBO）。其导带偏移（CBO）是通过在价带顶位置上直接加上ScxAl1-xN的实验带隙而获得，从而避免通过LDA方法低估带隙。图3为ScxAl1-xN/GaN异质结的导带和价带偏移随着Sc浓度x的变化。作者发现ScxAl1-xN/GaN异质结具有I型能带对齐，且在Sc含量x=0％时，AlN/GaN异质结的价带偏移为0.77 eV，与之前报道的实验值（0.8 eV）很好地吻合。 随ScxAl1-xN合金中Sc含量的增加，VBO从0.77 eV（x=0％）降低到0.09 eV（x=25％），这表明可能在高Sc含量（> 25％）时形成II型ScxAl1-xN/GaN异质结。
图3 ScAlN/GaN异质结中Sc含量范围为0％至25％时导带和价带偏移量
接着作者研究了晶格匹配度高的ScxAl1-xN（Sc含量= 18.75％）与GaN能带对齐，对掺杂3个Sc原子的AlN块体和表面体系进行计算。图4为Sc0.1875Al0.8125N相对于GaN和AlN的能带对齐示意图。计算表明Sc0.1875Al0.8125N/GaN异质结为I型能带对准，且CBO = 1.74 eV，VBO = 0.34 eV。
图4 AlN，Sc0.1875Al0.8125N和GaN异质结的能带排列示意图
最后，作者计算了AlN/ScxAl1-xN（x=0％到25％）异质结的相对CBM和VBM位置与Sc含量的关系，如图5所示。研究发现AlN/ScxAl1-xN异质结为I型能带对齐。 由于ScxAl1-xN合金具有较宽的带隙和较大的压电极化场，因此非常有必要去研究 AlN/ScxAl1-xN异质结能带对准，从而应用于AlN基紫外光电功率器件。
图5 Sc含量为0％至25％的AlN/ScxAl1-xN的CBM和VBM相对位置
4．总结
作者利用MedeA-VASP基于DFT理论研究了合金ScxAl1-xN/GaN异质结的能带性质。与目前研究较多的Al0.83In0.17N/ GaN异质结（CBO = 0.68 eV，VBO = 0.29 eV）相比，Sc0.1875Al0.8125N/GaN异质结具有更大的CBO，具有更好的电子限制效应，有望基于此异质结来设计高功率HEMT。而且由晶格匹配的ScxAl1-xN做中间层也能为InGaN/GaN多量子阱提供更好的电子限制，从而提高辐射效率。通过理论研究ScxAl1-xN/GaN异质结的能带对齐方式后，便可以设计出ScxAl1-xN/GaN异质结构，用来改善基于GaN激光器，LED和功率电子器件的性能。
参考文献：
Hanlin Fu, Justin C. Goodrich, and Nelson Tansu, Band alignment of ScAlN/GaN heterojunction, Appl. Phys. Lett., 2020, 117: 231105
使用MedeA模块：
MedeA-InfoMaticA
MedeA-VASP
MedeA-Interfaces Builder
