极化效应调控β-Ga2O3/4H-SiC异质结电子结构的第一性原理研究

为解决β-Ga2O3/4H-SiC异质结中极化效应对界面电荷动力学和能带对齐机制的原子尺度调控难题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了六种热力学稳定界面模型。研究发现氧终止界面（O-C/O-Si）因强共价键形成能（低至-0.603 eV/?2）具有优异稳定性，Si终止界面产生0.47-0.76 eV的I型能带偏移可有效抑制电子泄漏，为高性能功率器件设计提供了极化工程策略。

　　

随着电力电子器件向高频化、集成化发展，β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带（~4.9 eV）、高击穿电场（~8 MV/cm）等特性成为新一代功率半导体明星材料。然而其热导率仅11-27 W m^-1 K^-1的"热瓶颈"问题，导致器件在1 kW cm^-2级热流密度下性能急剧劣化。将β-Ga₂O₃与高热导率（280-342 W m^-1 K^-1）的4H-SiC构建异质结，既能改善散热又可协同优化电学性能，但界面极化效应如何调控电子结构这一关键机制始终悬而未决。

山东大学等机构的研究人员采用密度泛函理论（DFT）系统研究了β-Ga₂O₃ (001)/4H-SiC (0001)六种界面模型。通过形成能分析、电子密度差（EDD）、巴德电荷计算等方法，发现氧终止界面通过O-C/Si强共价键实现-0.419/-0.603 eV/?²的超低形成能；极化效应诱导的内建电场（E_int）在Si终止界面指向β-Ga₂O₃层导致电子耗尽，而C终止界面则呈现反向电场与电荷积累；所有构型均呈现I型（ straddling-gap）能带排列，其中Si终止界面0.47-0.76 eV的导带偏移（CBO）可有效阻挡电子泄漏。该成果发表于《Applied Surface Science》，为极化工程调控异质结性能提供了原子尺度设计蓝图。

主要技术方法
采用VASP软件包进行第一性原理计算，交换关联泛函选用PBE形式的GGA近似，平面波截断能经收敛性测试确定。通过电子密度差（EDD）、巴德电荷、电子局域函数（ELF）、静电势和分波态密度（PDOS）分析界面电荷转移与能带特性，构建六种热力学稳定的β-Ga₂O₃ (001)/4H-SiC (0001)界面模型并进行几何优化。

研究结果
Computational methods
验证了PBE泛函对4H-SiC极化效应的描述可靠性，通过声子谱计算确认结构稳定性，设置9×9×1 k点网格保证计算精度。

Results and discussions
几何优化显示界面原子位移最显著但整体结构未畸变。氧终止界面因O-C/Si键强（键长1.36-1.63 ?）形成能最低；Si终止界面产生0.76 eV最大CBO，其内建电场强度达0.25 V/?；ELF证实界面存在电子共享区域，PDOS揭示界面态主要源于O 2p与Si/C sp³杂化轨道耦合。

Conclusions
阐明4H-SiC极化通过终止原子类型（Si/C）调控界面电荷行为与能带排列的物理机制，提出氧终止界面兼具热稳定性与电子阻挡优势，为开发耐高温、低功耗的β-Ga₂O₃功率器件奠定理论基础。

该研究首次揭示4H-SiC极化场对β-Ga₂O₃ (001)界面电子结构的定向调控规律，建立的"终止原子类型-内建电场方向-能带偏移"关联模型，突破了传统异质结设计仅考虑晶格匹配的局限。通过选择性暴露Si终止面可实现电子耗尽与高势垒的协同优化，这对开发56%降温效率的下一代功率器件具有重要指导意义。作者团队在致谢部分提及获得泰山产业专家计划等资助，体现该研究在国家战略新材料领域的应用价值。