极性半导体XAs(X=B, Al, Ga)中载流子迁移率与极性声子散射的第一性原理研究

本研究针对极性半导体中长程电子-声子相互作用(e-ph)和极性声子散射影响载流子输运特性的关键科学问题，通过第一性原理计算系统研究了立方III-V族化合物(BAs、AlAs、GaAs)的电荷传输特性。研究创新性地引入极性校正方法，揭示了高频光学声子散射在低温下的主导作用，发现BAs在300K时兼具高电子(8807 cm2/V s)和空穴迁移率(1848 cm2/V s)的独特现象，为极性半导体材料设计提供了理论指导。

　　

在半导体材料研究领域，III-V族化合物因其优异的电荷传输性能一直是光伏和热电材料开发的热点。然而，极性半导体中长程电子-声子耦合导致的载流子散射机制，始终是制约材料性能优化的瓶颈问题。特别是Fr?hlich理论指出的纵向光学声子(LO)与电子的强相互作用，使得传统计算方法难以准确预测这类材料的载流子迁移率。

来自国家大学生创新创业训练计划项目组的研究人员选择典型闪锌矿结构XAs(X=B, Al, Ga)体系，在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表研究，通过第一性原理计算系统揭示了极性声子散射对载流子输运的调控机制。研究采用密度泛函理论(DFT)结合密度泛函微扰理论(DFPT)，利用ONCVPSP赝势和PBEsol泛函计算电子结构，通过Wannier90程序拟合sp₃杂化轨道，并采用Wannier插值技术解决高密度e-ph耦合矩阵计算难题，结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和弛豫时间近似(RTA)分析载流子散射过程。

计算细节显示，研究采用广义梯度近似(GGA)框架下的平面波基组方法，对三种材料的能带结构进行精确计算。能带结构细节部分指出，BAs的导带最小值(CBM)位于Δ点沿Γ-X方向，价带最大值(VBM)位于Γ点，这种独特的能带结构为其双极性高迁移率特性奠定基础。

结论部分的重要发现包括：GaAs在室温下展现最高电子迁移率(8807 cm²/V s)，而BAs则表现出空穴迁移率峰值(1848 cm²/V s)。特别值得注意的是，BAs同时具备较高的电子和空穴迁移率，这种双极性传输特性在III-V族半导体中极为罕见。相比之下，AlAs的载流子迁移率显著偏低，但其宽禁带特性使其更适用于晶体管和量子阱器件开发。

该研究通过建立精确的极性校正方法，解决了极性半导体载流子迁移率计算的精度问题。Hongxuan Wei和Chuanyu Zhang的研究不仅验证了Wannier插值结合RTA方法在极性材料计算中的可靠性，更重要的是揭示了不同声子模式对载流子散射的差异化贡献：高频光学声子在低温散射中起主导作用，而声子辅助的谷间散射是主要散射机制。这些发现为设计高性能极性半导体材料提供了关键理论依据，对开发新一代电子器件和能源转换材料具有重要指导意义。