共掺杂β-Ga2O3导电性质第一性原理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0011

摘要/Abstract

摘要： 本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了Mg-Al共掺杂、F-Zn共掺杂和N-Mg共掺杂β-Ga₂O₃三种体系的结构性质和电学性质，以期获得高性能共掺杂P型导电β-Ga₂O₃材料。结果表明，Mg-Al共掺杂和F-Zn共掺杂β-Ga₂O₃仍为直接带隙半导体材料，而N-Mg共掺杂β-Ga₂O₃为间接带隙半导体材料。三种共掺杂体系均具有较低的形成能。其中Mg-Al共掺杂β-Ga₂O₃体系形成能最低，表现出较好的热力学稳定性。该体系中，Mg-p和Al-p轨道推移价带顶向高能方向移动，并穿越费米能级，是三种掺杂体系中最有可能实现P型导电性质的材料。

关键词: 共掺杂β-Ga₂O₃; 第一性原理; P型导电; 电子结构; 密度泛函理论; 半导体

Abstract: In this study， the structural and electronic properties of three β-Ga₂O₃ systems， Mg-Al co-doped， F-Zn co-doped and N-Mg co-doped were investigated by first-principles calculations based on density functional theory， with the aim of obtaining high-performance P-type conductive β-Ga₂O₃ materials. The results indicate that the Mg-Al co-doped and F-Zn co-doped β-Ga₂O₃ remain direct bandgap semiconductors， while the N-Mg co-doped system becomes an indirect bandgap semiconductor. These systems exhibit relatively low formation energies. Among them， the Mg-Al co-doped β-Ga₂O₃ system exhibits the lowest formation energy， indicating better thermodynamic stability. In this system， the Mg-p and Al-p orbitals shift the valence band toward higher energy， crossing the Fermi level， making it the most promising candidate for P-type conductivity among the three systems.

Key words: co-doped β-Ga₂O₃; first-principle; P-type conductivity; electronic structure; density functional theory; semiconductor

中图分类号:

O471

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图/表 6

图1 本征和共掺杂β-Ga2O3体系超胞结构

Fig.1 Supercell structures of intrinsic and co-doped β-Ga2O3

表1 本征β-Ga2O3与共掺杂β-Ga2O3晶格常数和形成能

Table 1 Lattice constants and formation energies of intrinsic β-Ga2O3 and co-doped β-Ga2O3

β-Ga₂O₃	a/nm	b/nm	c/nm	E/eV
Intrinsic β-Ga₂O₃	1.185	0.299	0.541	—
Mg-Al co-doped	1.185	0.299	0.543	-9.13
F-Zn co-doped	1.189	0.300	0.546	-7.92
N-Mg co-doped	1.208	0.301	0.536	-4.82

图2 本征和共掺杂β-Ga2O3体系能带结构

Fig.2 Band structures of intrinsic and co-doped β-Ga2O3

图3 不同浓度Mg-Al共掺杂β-Ga2O3体系能带结构

Fig.3 Band structures of Mg-Al co-doped β-Ga2O3 with different concentrations

图4 本征和共掺杂β-Ga2O3体系态密度

Fig.4 Density of states of intrinsic and co-doped β-Ga2O3

图5 共掺杂β-Ga2O3体系电荷差分密度

Fig.5 Charge differential densities of co-doped β-Ga2O3

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共掺杂β-Ga₂O₃导电性质第一性原理研究

First-Principles Study on the Electrical Properties of Co-Doped β-Ga₂O₃

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