β-Ga?O?/AlN异质结构中的极性依赖性能带对齐与二维电子气的局域化

《Journal of Alloys and Compounds》：Polarity-Dependent Band Alignment and Two-Dimensional Electron Gas Localization in β-Ga?O?/AlN Heterostructures

β-Ga?O?/AlN异质结的能带偏移、界面电荷传输机制及极化工程调控二维电子气（2DEG）形成机理研究。通过原子层沉积和超胞模拟，揭示不同晶面（-201、100、001）的O-Al/Ga-N界面能带偏移为-0.64±0.5 eV（VBO）和-1.84±0.3 eV（CBO），验证AlN作为高热导率介电层的可行性。电负性差异驱动界面电荷重排，N极AlN因自发极化产生深势阱，自发形成高密度2DEG（~1013 cm?2），而Al极需δ掺杂补偿。极化工程结合界面工程，为宽禁带半导体器件提供新设计范式。

　　β-Ga?O?/AlN异质结在现代电子器件设计中展现出重要的潜力。随着电力电子技术的发展，对高功率密度、高电压耐受性和可靠性提出了更高的要求，β-Ga?O?作为一种具有宽禁带、高击穿电场和高能效指标的半导体材料，正在成为下一代功率器件的有力候选者。然而，β-Ga?O?固有的电子迁移率低和热导率差等问题限制了其应用范围。通过构建β-Ga?O?/AlN异质结，其中AlN作为介电层或势垒层，为解决这些问题提供了新的思路。

研究中采用了一系列计算方法，包括第一性原理计算、界面形成能和结合能分析，以及电荷密度差和局部态密度（LDOS）分析，以揭示β-Ga?O?/AlN异质结的电子结构和界面特性。这些方法能够系统地分析界面处的电荷分布、能带偏移以及二维电子气（2DEG）的形成机制，从而为设计高性能β-Ga?O?场效应晶体管（FET）提供理论指导。研究发现，AlN具有较高的热导率（约320 W/m·K），这使其在高功率器件中具有显著优势。此外，AlN的自发极化和压电极化特性为界面工程和载流子调控提供了新的可能性。

研究中，通过不同的界面取向和极性设计，构建了三种类型的β-Ga?O?/AlN异质结模型。AlN作为介电层时，表现出较大的导带偏移（|CBO| ≥ 1.50 eV），有助于增强载流子约束并抑制栅极漏电流。而N极性AlN作为势垒层时，表面态诱导的能带弯曲进一步影响了2DEG的形成。O-终止表面会引发向上弯曲，而Ga-终止表面则导致向下弯曲，从而在N极性异质结中形成量子阱结构。在N极性高电子迁移率晶体管（HEMT）结构中，类似供体的表面态促进了极化诱导的2DEG形成，而Al极性结构则由于电子转移至类似受体态，导致2DEG的耗尽，需要通过δ掺杂来恢复沟道特性。这些结果表明，通过极性调控和界面工程，可以实现对β-Ga?O?/AlN异质结性能的优化，从而提升器件的整体表现。

研究还发现，不同界面取向下的β-Ga?O?/AlN异质结具有不同的能带偏移。例如，在(-201)取向下，Al极性异质结的CBO为-1.84 ± 0.3 eV，而N极性异质结的CBO为-1.82 ± 0.12 eV。这些偏移值表明，AlN作为介电层能够有效控制载流子的传输行为，从而改善器件的电学性能。同时，研究通过电荷密度差和LDOS分析揭示了界面处的电荷重分布和电子局域化现象，这些现象对于理解异质结的电子行为至关重要。

此外，研究还探讨了β-Ga?O?/AlN异质结在高电子迁移率晶体管（HEMT）中的应用潜力。通过精确的掺杂工程和极化控制，可以实现高迁移率2DEG的形成，从而提升器件的电流密度和频率响应。例如，N极性异质结在β-Ga?O?/AlN界面处能够形成类似于GaAs/AlAs的极化诱导2DEG结构，为下一代高功率电子器件的设计提供了新的方向。同时，研究还指出，尽管Al极性异质结在极化诱导下难以形成2DEG，但通过δ掺杂技术，仍然可以实现其性能的提升。

总的来说，β-Ga?O?/AlN异质结的构建和性能优化为高性能功率器件的发展提供了新的可能性。通过界面极性和表面态的调控，可以有效提升器件的电学性能和热管理能力，从而推动其在电力电子领域的广泛应用。