压力调控下本征及镁掺杂Ga2O3空穴迁移率的第一性原理研究：从各向异性输运到高压增强效应

本研究针对宽禁带半导体Ga2O3空穴迁移率低、p型掺杂困难的核心问题，通过第一性原理计算系统分析了0-40 GPa压力下本征及Mg掺杂β/α-Ga2O3的电子结构与输运特性。发现高压可显著提升β相沿y轴空穴迁移率（μh达228.7 cm2/(V s)），揭示Mg掺杂诱导磁矩并改变各向异性输运路径，为设计高压Ga2O3基p型器件提供理论依据。

　　

在第四代半导体材料的竞赛中，氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽禁带（~4.8 eV）、超高击穿电场（8 MV/cm）和优异的耐辐射性能备受瞩目。然而这个"明星材料"却有个致命短板——就像天生缺了一条腿的运动员，其空穴迁移率极低且难以实现有效的p型掺杂，严重制约了其在功率电子器件中的应用。更棘手的是，当器件工作在高压环境时，材料内部的电子行为会变得扑朔迷离，就像在暴风雨中航行的船只，其性能变化规律至今缺乏系统研究。

针对这一挑战，中国的研究团队在Materials Science in Semiconductor Processing发表了创新性成果。他们采用第一性原理计算这一"材料显微镜"，首次揭示了压力如何像魔术师般调控Ga₂O₃的电子结构：在40 GPa高压下，本征β-Ga₂O₃沿y轴的空穴迁移率（μ_h）从3.79 cm²/(V s)飙升至228.7 cm²/(V s)，增幅超60倍！而镁（Mg）掺杂不仅成功实现p型转化，还意外地给材料装上了"磁性心脏"，在β相和α相中均诱导出1 μ_B（玻尔磁子）的磁矩。

关键技术方法
研究采用维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行自旋极化计算，基于局域密度近似（LDA）处理交换关联能，截断能设为500 eV。通过投影缀加波（PAW）赝势描述离子-电子相互作用，弹性常数通过应力-应变法计算，形变势理论结合有效质量分析用于迁移率预测。

研究结果

Pristine β- and α-Ga₂O₃
β相在常压下呈现显著各向异性，最短晶格常数b轴（x方向）对应最高μ_h。压力使价带顶位置偏移，40 GPa时y轴μ_h出现数量级提升，而其他方向μ_h降至<1 cm²/(V s)。α相在常压具有更高μ_h（58.31 cm²/(V s)），但高压导致弹性常数降低而劣化性能。

Mg掺杂效应
Mg取代Ga位后，周围氧原子2p轨道产生1 μ_B磁矩。在β相中，35 GPa压力使y轴μ_h达180.7 cm²/(V s)；在α相中，Mg改变最优输运方向，但峰值μ_h低于本征样品。

结论与意义
这项工作首次绘制出Ga₂O₃空穴迁移率的高压相图，揭示压力可像"调控旋钮"般通过改变价带结构和有效质量来优化输运性能。发现Mg掺杂不仅实现p型转化，还赋予材料自旋自由度，为开发磁性半导体器件提供新思路。特别是指明y轴为高压下最优电流传输方向，这对设计耐高压的Ga₂O₃功率晶体管具有重要指导价值。当同行们还在常温常压下探索时，该研究已将视野拓展至极端条件，为第四代半导体材料的性能调控开辟了新维度。