[论文解读] Bismuth-doped Ga2O3 as candidate for p-type transparent conducting material

Fernando P. Sabino, Xuefen Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2019

Ga2O3 and related materials被引用 3

一句话总结

本研究通过混合密度泛函理论表明，铋掺杂的Ga2O3（(Ga1-xBix)2O3）在Ga位点掺杂Bi可形成位于较高能级的中间价带，该中间价带由Bi 6s与O 2p轨道混合而成，从而减小带隙并实现p型导电性。关键结果是该中间能带能量足够高，可实现有效p型掺杂，同时保持较大的光学带隙，使其成为透明p型氧化物的有力候选材料。

ABSTRACT

Gallium oxide (Ga2O3) is a wide-band-gap semiconductor promising for UV sensors and high power transistor applications, with Baliga's figure of merit that far exceeds those of GaN and SiC, second only to diamond. Engineering its band structure through alloying will broaden its range of applications. Using hybrid density functional calculations we study the effects on adding Bi to Ga2O3. While in III-V semiconductors, such as GaAs and InAs, Bi tend to substitute on the pnictide site, we find that in Ga2O3, Bi prefers to substitute on the Ga site, resulting in dilute (Ga_{1-x}Bi_{x})2O3 alloys with unique electronic structure properties. Adding a few percent of Bi reduces the band gap of Ga2O3 by introducing an intermediate valence band that is significantly higher in energy than the valence band of the host material. This intermediate valence band is composed mainly of Bi 6s and O 2p orbitals, and it is sufficiently high in energy to provide opportunity for p-type doping.

研究动机与目标

• 研究在宽带隙半导体Ga2O3中实现p型导电性的可行性，该材料具有优异的功率电子性能，但因受主能级较深而难以实现p型掺杂。
• 确定Bi在Ga2O3中的占位偏好，并评估其对电子结构和能带边位置的影响。
• 评估Bi掺杂是否能够提升价带顶并降低受主电离能，从而实现有效p型掺杂。
• 检查(Ga1-xBix)2O3的光学性质，确认尽管带隙减小，材料在可见光范围内仍保持透明。
• 探讨Bi掺杂Ga2O3作为紫外和功率电子应用中透明p型导电材料的潜力。

提出的方法

• 采用混合密度泛函理论（HSE）计算电子结构，使用32%的Hartree-Fock交换混合参数，以准确再现β-Ga2O3的4.70 eV带隙。
• 通过120个原子的超胞构建特殊准随机结构（SQS），模拟Bi浓度为2.08%、4.17%、6.25%和12.5%的稀释型(Ga1-xBix)2O3固溶体。
• 结构优化采用PBESol泛函，平面波截断能为620 eV；电子结构计算使用470 eV截断能和HSE泛函。
• 采用投影缀加波（PAW）势描述电子-离子相互作用，价态构型为：O:2s22p4，Ga:3d104s24p1，Bi:5d106s26p3。
• 通过频率相关的介电张量和Kramer-Kronig关系计算光学性质，采用5×10−4 eV的Lorentzian展宽。
• 布里渊区采用8×8×4 k点网格对原始晶胞进行采样，超胞采用等效的k点密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bi在β-Ga2O3中是否倾向于取代Ga位或O位？其热力学驱动力是什么？
• RQ2 Bi掺杂如何影响Ga2O3的带隙和价带顶位置？
• RQ3 通过Bi掺杂引入中间价带是否能通过降低受主电离能来实现有效p型掺杂？
• RQ4 (Ga1-xBix)2O3的光学透明范围是什么？尽管带隙减小，其在可见光谱范围内是否仍保持透明？
• RQ5 从中间价带到导带的最小能量跃迁是否仍位于可见光范围之外，从而保持透明性？

主要发现

• Bi优先取代β-Ga2O3中的Ga位点，形成稀释型(Ga1-xBix)2O3固溶体，其混合焓有利，支持合金形成。
• Bi掺杂引入了一个位于原始O 2p价带显著上方的新型中间价带，主要由Bi 6s与O 2p轨道组成。
• 该中间价带能量足够高，可实现有效p型掺杂，因其与深能级缺陷解耦，并降低受主的电离能。
• 由于该中间能带的形成，Ga2O3的带隙因少量Bi掺杂而略微减小，但从中带到导带的最小能量跃迁仍位于可见光范围（400–700 nm）之外。
• 计算得到的光学带隙仍高于2.5 eV，表明Bi掺杂Ga2O3在可见光谱范围内保持强透明性。
• 高能级价带与可见光透明性的结合，使(Ga1-xBix)2O3成为p型透明导电氧化物的有力候选材料。