基于第一性原理探究氧化鎵晶體有效p型摻雜的微觀機制與性能優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，半導體材料在現(xiàn)代電子學領域中扮演著至關重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接決定了電子器件的功能和應用范圍。氧化鎵（Ga_2O_3）作為一種新興的超寬禁帶半導體材料，憑借其獨特的物理性質(zhì)和潛在的應用價值，在近年來受到了科研人員的廣泛關注。氧化鎵具有禁帶寬度大（約為4.9eV）、擊穿場強高（可達8MV/cm）、Baliga優(yōu)值大等突出優(yōu)點。與傳統(tǒng)的硅基半導體以及第三代半導體材料如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相比，氧化鎵在耐高壓、耐高溫、大功率以及抗輻照等方面展現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。在功率器件應用中，氧化鎵較高的擊穿場強使其能夠承受更高的電壓，降低器件的導通電阻，從而提高功率轉換效率，減少能量損耗；大禁帶寬度也使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的電學性能，有望滿足未來電力電子系統(tǒng)對高溫、高效、高功率密度的需求。在光電子器件領域，氧化鎵的寬禁帶特性使其對深紫外光具有良好的吸收和發(fā)射特性，可應用于日盲紫外探測器、深紫外發(fā)光二極管等光電器件，在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測、軍事通信等領域具有重要的應用前景。在半導體器件中，實現(xiàn)有效的p型摻雜對于構建高性能的p-n結、雙極性晶體管以及其他復雜的半導體器件結構至關重要。對于氧化鎵晶體而言，p型摻雜同樣是充分發(fā)揮其材料優(yōu)勢、拓展其應用領域的關鍵環(huán)節(jié)。通過p型摻雜，可以調(diào)控氧化鎵的電學性能，使其具備空穴導電能力，從而與n型氧化鎵相結合，形成具有整流、放大等功能的p-n結器件。然而，目前氧化鎵的p型摻雜面臨著諸多挑戰(zhàn)，成為限制其器件性能提升和大規(guī)模應用的瓶頸之一。氧化鎵的價帶頂能級位置較低，且能帶色散關系平坦，這導致雜質(zhì)摻雜形成的受主能級往往較深（多在1eV以上），使得受主雜質(zhì)難以電離，空穴有效質(zhì)量較大，從而難以實現(xiàn)高效的p型導電。傳統(tǒng)的摻雜工藝在引入雜質(zhì)的同時，還可能引入微量雜質(zhì)和缺陷，影響材料的晶體質(zhì)量和電學性能的穩(wěn)定性。實現(xiàn)氧化鎵的有效p型摻雜，對于突破現(xiàn)有器件性能瓶頸、推動氧化鎵基半導體器件的發(fā)展具有重要意義。第一性原理計算作為一種基于量子力學原理的理論計算方法，在材料科學研究中發(fā)揮著日益重要的作用。它以原子核和電子的相互作用原理及其基本運動規(guī)律為基礎，通過求解薛定諤方程，能夠從原子尺度深入研究材料的結構、電子性質(zhì)和物理化學過程。與傳統(tǒng)的實驗研究方法相比，第一性原理計算具有獨特的優(yōu)勢。一方面，它可以在理論上預測材料的各種性質(zhì)，為實驗研究提供指導和依據(jù)，有助于減少實驗的盲目性，降低研發(fā)成本和時間；另一方面，對于一些難以通過實驗直接觀測和測量的微觀結構和性質(zhì)，如原子的電子云分布、能帶結構、態(tài)密度等，第一性原理計算能夠提供詳細而準確的信息，幫助研究人員深入理解材料的內(nèi)在物理機制。在氧化鎵晶體p型摻雜的研究中，第一性原理計算可以系統(tǒng)地研究不同摻雜原子種類、摻雜濃度以及摻雜位置對氧化鎵晶體結構穩(wěn)定性、電子結構和電學性能的影響。通過計算摻雜體系的形成能、電荷分布、能帶結構和態(tài)密度等物理量，能夠深入分析p型摻雜的機制，揭示受主能級的形成與雜質(zhì)原子和氧化鎵晶格之間的相互作用關系，從而為篩選合適的摻雜元素和優(yōu)化摻雜工藝提供理論指導。第一性原理計算還可以預測新型的p型摻雜策略和材料體系，為氧化鎵p型摻雜的研究開辟新的思路和方向。1.2氧化鎵晶體概述氧化鎵（Ga_2O_3），又稱三氧化二鎵，是一種重要的寬禁帶半導體材料。其晶體結構存在多種同素異形體，展現(xiàn)出豐富而獨特的物理化學性質(zhì)，在現(xiàn)代電子學、光電子學等領域具有廣泛的應用前景。氧化鎵晶體存在五種同素異形體，分別為α相、β相、γ相、δ相和ε相。這些不同結構的氧化鎵晶體在原子排列方式上存在顯著差異。α相氧化鎵屬于菱形晶系，空間群為R3C，其原子通過特定的配位方式形成了三維的晶體結構。β相氧化鎵則屬于單斜晶系，空間群是C2/m，在這種結構中，鎵原子和氧原子的排列方式?jīng)Q定了其獨特的晶體學特征，如晶胞參數(shù)a=12.23?，b=3.04?，c=5.80?，晶格矢量a和c的夾角為103.7°，晶胞中包含兩種晶格Ga位（Ga-I、Ga-II）和三種晶格O位（O-I、O-II、O-III），Ga-I處于六配位的O原子構成的八面體中心，Ga-II位于四個鄰近O原子組成的四面體中心，O-I具有四配位的Ga原子，O-II和O-III分別位于由Ga和O構成的凹陷八邊形和外凸八邊形的頂點。γ相氧化鎵具有立方晶系結構，空間群為Fd3m，其晶體結構基于特定的對稱性和原子間相互作用形成。δ相氧化鎵屬于體心立方晶系，空間群是Ia3，原子排列方式呈現(xiàn)出與其他相不同的特征。ε相氧化鎵則為正交晶系，空間群是Pna21，原子在三維空間中的排列形成了該相特有的晶體結構。不同結構的氧化鎵晶體在穩(wěn)定性和電學性能方面表現(xiàn)出明顯的差異。β相氧化鎵是所有同素異形體中最為穩(wěn)定的，當溫度升高到一定程度時，其他亞穩(wěn)態(tài)的氧化鎵均會逐漸轉換為β相，在熔點1800℃時必定為β相，這使得β相氧化鎵在實際應用中成為主要的研究和應用對象。在電學性能方面，β相氧化鎵的導帶底位于布里淵區(qū)中心Γ點，附近陡峭的能帶色散關系表明其電子有效質(zhì)量較小，有利于實現(xiàn)n型導電；而價帶頂位于高對稱點I和L之間，比最高價帶在Γ點的能量高0.04eV，呈間接帶隙特性，且價帶頂附近能帶色散關系平坦，空穴有效質(zhì)量較大，這使得β相氧化鎵的p型摻雜面臨較大挑戰(zhàn)。相比之下，其他相的氧化鎵在電學性能上也各有特點，例如α相氧化鎵可能在某些特定的應用場景中展現(xiàn)出獨特的電學性質(zhì)，但由于其穩(wěn)定性較差，限制了其廣泛應用。在實際應用中，β相氧化鎵憑借其穩(wěn)定的特性和相對較好的電學性能，在功率器件領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。由于其具有較高的擊穿場強和較大的Baliga優(yōu)值，能夠承受更高的電壓，降低器件的導通電阻，從而提高功率轉換效率，被認為是制備高性能功率器件的理想材料，可應用于新能源汽車的電力轉換系統(tǒng)、智能電網(wǎng)的高壓輸電設備等領域。在光電子器件方面，氧化鎵晶體由于其寬禁帶特性，對深紫外光具有良好的吸收和發(fā)射特性，可用于制備日盲紫外探測器、深紫外發(fā)光二極管等器件，在環(huán)境監(jiān)測中用于檢測紫外線強度、生物醫(yī)學檢測中用于分析生物分子的熒光信號、軍事通信中用于實現(xiàn)保密通信等領域發(fā)揮重要作用。不同結構的氧化鎵晶體在不同的應用場景中發(fā)揮著各自的優(yōu)勢，為相關領域的技術發(fā)展提供了有力的支持。1.3p型摻雜對氧化鎵晶體的重要性在半導體材料的研究與應用中，p型摻雜是調(diào)控材料電學性能、構建高性能器件的關鍵手段之一，對于氧化鎵晶體而言，p型摻雜具有舉足輕重的地位，對其電學、光學等性能產(chǎn)生著深遠的影響，在制備高性能光電器件和電子器件中發(fā)揮著關鍵作用。從電學性能角度來看，氧化鎵本征狀態(tài)下的電學特性難以滿足多樣化的器件應用需求。通過p型摻雜，能夠在氧化鎵晶體中引入受主能級，這些受主能級可以捕獲價帶中的電子，從而產(chǎn)生可移動的空穴，使得氧化鎵具備p型導電能力?？昭ㄗ鳛閜型半導體中的主要載流子，其濃度和遷移率直接決定了材料的電導率和導電特性。合適的p型摻雜可以精確調(diào)控氧化鎵的空穴濃度，使其達到與特定器件應用相匹配的范圍。在p-n結二極管中，p型氧化鎵與n型氧化鎵形成的結區(qū)，通過空穴和電子的擴散與復合，實現(xiàn)了電流的單向?qū)ㄌ匦裕@是構建各類整流、開關器件的基礎。在雙極性晶體管中，p型摻雜區(qū)與n型摻雜區(qū)的合理搭配，使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)電流的放大和信號的處理功能，是現(xiàn)代電子電路中不可或缺的基本元件。若p型摻雜效果不佳，如受主能級過深導致空穴難以電離，或者摻雜不均勻造成局部電學性能差異，會嚴重影響器件的性能和穩(wěn)定性，降低器件的工作效率和可靠性。在光學性能方面，p型摻雜也對氧化鎵晶體有著顯著的影響。對于基于氧化鎵的光電器件，如發(fā)光二極管（LED）和光電探測器，p型摻雜與材料的發(fā)光和光電轉換過程密切相關。在氧化鎵LED中，p型摻雜區(qū)與n型摻雜區(qū)之間形成的p-n結，當施加正向偏壓時，電子和空穴在結區(qū)復合，釋放出能量并以光子的形式發(fā)射出來。p型摻雜的質(zhì)量和特性直接影響著空穴的注入效率和復合效率，進而決定了LED的發(fā)光效率、發(fā)光波長和光譜特性。高效的p型摻雜能夠提高空穴的注入濃度，增加電子與空穴的復合概率，從而提高LED的發(fā)光亮度和效率；而不合適的p型摻雜則可能導致發(fā)光效率降低、光譜展寬等問題，影響LED的性能和應用效果。在氧化鎵光電探測器中，p型摻雜可以調(diào)節(jié)器件的內(nèi)建電場和耗盡層寬度，影響光生載流子的產(chǎn)生、分離和收集過程，從而決定了探測器的響應度、響應速度和探測靈敏度等關鍵性能指標。優(yōu)化的p型摻雜能夠增強探測器對光信號的響應能力，提高其在微弱光信號檢測和快速光信號響應等方面的性能。在高性能光電器件和電子器件的制備中，p型摻雜的氧化鎵晶體更是不可或缺的關鍵材料。在功率器件領域，氧化鎵憑借其超寬禁帶寬度和高擊穿場強等優(yōu)勢，被視為下一代高性能功率器件的理想材料。實現(xiàn)有效的p型摻雜，能夠制備出性能優(yōu)良的p-n結型功率器件，如金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。這些器件在高壓、大電流的工作條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電能轉換和功率控制，廣泛應用于新能源汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)、智能電網(wǎng)的輸電和配電設備、工業(yè)電機的變頻調(diào)速等領域，對于提高能源利用效率、推動電力電子技術的發(fā)展具有重要意義。在光電子器件領域，基于p型氧化鎵的日盲紫外探測器，能夠?qū)?00-280nm波長范圍內(nèi)的日盲紫外光進行高靈敏度的探測，可應用于環(huán)境監(jiān)測中對紫外線輻射的監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測中對生物分子的熒光激發(fā)和檢測、軍事領域中的保密通信和目標探測等。p型氧化鎵與其他材料結合制備的發(fā)光二極管，可實現(xiàn)深紫外光的高效發(fā)射，在紫外光刻、殺菌消毒、生物醫(yī)療成像等領域具有廣闊的應用前景。1.4第一性原理計算方法簡介第一性原理，又稱從頭算，是一種基于量子力學原理的理論計算方法，在材料科學、化學、物理等眾多領域發(fā)揮著關鍵作用，為深入理解物質(zhì)的微觀結構與性質(zhì)提供了重要手段。從基本概念和理論基礎來看，第一性原理以原子核和電子的相互作用原理及其基本運動規(guī)律為根本出發(fā)點。在一個由多個原子構成的體系中，將其視為由原子核和電子組成的復雜系統(tǒng)，運用量子力學的基本原理對該系統(tǒng)進行最大限度的“非經(jīng)驗性”處理。其核心是通過求解薛定諤方程來描述體系中電子的運動狀態(tài)和能量分布。薛定諤方程是量子力學的基本方程，其一般形式為：H\psi=E\psi，其中H為哈密頓算符，它包含了體系中電子的動能、電子與原子核之間的相互作用勢能以及電子之間的相互作用勢能等信息；\psi是波函數(shù)，它描述了電子在空間中的分布狀態(tài)；E則是體系的能量。然而，對于多電子體系，由于電子之間存在復雜的相互作用，精確求解薛定諤方程面臨巨大挑戰(zhàn)，通常需要采用一些近似方法，如平面波贗勢方法（PWPM）、密度泛函理論（DFT）等。密度泛函理論是第一性原理計算中廣泛應用的一種方法。它的基本思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函，即體系的能量可以通過電子密度來確定。在密度泛函理論中，引入了交換關聯(lián)泛函來描述電子之間的交換相互作用和關聯(lián)相互作用。常見的交換關聯(lián)泛函有局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）等。LDA假設體系中電子的交換關聯(lián)能只與電子密度的局域值有關，計算相對簡單，但對于一些體系可能會存在一定的誤差；GGA則考慮了電子密度的梯度信息，在一定程度上提高了計算的準確性，能夠更準確地描述電子的行為和體系的能量。平面波贗勢方法也是第一性原理計算中常用的技術。在該方法中，將電子的波函數(shù)用平面波展開，通過引入贗勢來替代原子核與內(nèi)層電子對價電子的作用，從而大大簡化了計算過程，提高了計算效率。贗勢的引入使得在計算中可以忽略內(nèi)層電子的復雜相互作用，將注意力主要集中在價電子上，因為價電子在材料的物理和化學性質(zhì)中起著關鍵作用。在材料科學領域，第一性原理計算有著廣泛而重要的應用。在材料結構預測方面，通過第一性原理計算可以預測材料在不同條件下的晶體結構和相穩(wěn)定性。對于新型材料的探索，計算可以模擬不同原子排列方式下材料的能量，從而找到能量最低的穩(wěn)定結構。在研究金屬合金材料時，計算可以幫助確定不同元素比例和原子排列對合金晶體結構的影響，預測合金在不同溫度和壓力下的相轉變行為，為合金材料的設計和制備提供理論依據(jù)。在電子性質(zhì)分析中，第一性原理計算能夠精確計算材料的能帶結構、態(tài)密度和電荷分布等電子性質(zhì)。能帶結構描述了電子在材料中的能量分布狀態(tài)，通過分析能帶結構可以了解材料是導體、半導體還是絕緣體，以及半導體的禁帶寬度等重要信息。態(tài)密度則反映了在不同能量狀態(tài)下電子的分布情況，對于理解材料的電學、光學等性質(zhì)具有重要意義。計算材料的電荷分布可以揭示原子之間的化學鍵性質(zhì)和電子云分布情況，有助于深入理解材料的物理和化學性質(zhì)。在研究半導體材料時，計算能帶結構可以確定半導體的導帶底和價帶頂位置，從而得到禁帶寬度；分析態(tài)密度可以了解電子在不同能級上的分布情況，為半導體器件的設計和性能優(yōu)化提供理論指導。在材料性能預測方面，第一性原理計算可以預測材料的力學性能、熱學性能、光學性能等。在研究陶瓷材料時，計算可以預測材料的硬度、彈性模量等力學性能，通過模擬原子間的相互作用和晶格振動，分析材料在受力時的變形和破壞機制，為陶瓷材料的強度優(yōu)化和應用提供理論支持。在研究光學材料時，計算可以預測材料的吸收光譜、發(fā)射光譜等光學性能，通過分析電子的躍遷過程和光與材料的相互作用，為光學材料的設計和應用提供理論依據(jù)。在氧化鎵晶體p型摻雜研究中，第一性原理計算具有獨特的應用優(yōu)勢。一方面，它能夠從原子尺度深入研究不同摻雜原子種類對氧化鎵晶體結構穩(wěn)定性、電子結構和電學性能的影響。通過計算不同摻雜原子（如Mg、Zn、Cu等）替代氧化鎵晶格中不同位置的原子后體系的形成能，可以判斷摻雜結構的穩(wěn)定性。形成能越低，表明摻雜結構越容易形成，穩(wěn)定性越高。計算摻雜體系的能帶結構和態(tài)密度，可以分析摻雜原子引入后對氧化鎵能帶結構的影響，確定受主能級的位置和性質(zhì)，從而深入理解p型摻雜的機制。另一方面，第一性原理計算可以研究摻雜濃度和摻雜位置對氧化鎵晶體性能的影響。通過改變摻雜原子的濃度，計算不同濃度下體系的電子結構和電學性能，可以確定最佳的摻雜濃度范圍。研究不同摻雜位置（如替代鎵原子位置或氧原子位置）對體系性能的影響，有助于找到最有利于實現(xiàn)p型導電的摻雜位置。在研究Mg摻雜氧化鎵時，通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，當Mg替代鎵原子位置且摻雜濃度在一定范圍內(nèi)時，體系的電學性能得到了顯著改善，為實驗研究提供了重要的理論指導。第一性原理計算還可以與實驗研究相互驗證和補充，共同推動氧化鎵晶體p型摻雜的研究進展。計算結果可以為實驗提供理論預測和指導，幫助實驗人員選擇合適的摻雜元素、濃度和工藝條件，減少實驗的盲目性和成本。實驗結果則可以驗證計算模型和方法的準確性，為進一步改進計算方法和完善理論模型提供依據(jù)。1.5研究目的與內(nèi)容本研究旨在通過第一性原理計算，深入探索氧化鎵晶體有效p型摻雜的微觀機制和性能調(diào)控規(guī)律，為實驗研究提供堅實的理論基礎和指導，推動氧化鎵基半導體器件的發(fā)展。具體研究內(nèi)容如下：構建氧化鎵晶體模型：基于氧化鎵晶體的不同結構（如β相、α相、γ相、δ相和ε相），采用密度泛函理論（DFT），在平面波贗勢方法（PWPM）框架下，利用MaterialsStudio等軟件構建合理的晶體結構模型。對于β相氧化鎵，考慮其單斜晶系結構，準確設置晶格參數(shù)和原子坐標，確保模型的準確性。對構建的模型進行充分的結構優(yōu)化，使體系能量達到最低，以模擬氧化鎵晶體在實際中的穩(wěn)定結構，為后續(xù)的摻雜研究提供可靠的基礎。研究不同摻雜原子對氧化鎵晶體的影響：選擇多種可能的摻雜原子，如Mg、Zn、Cu、Be、C、N等，通過第一性原理計算，分別將這些摻雜原子替代氧化鎵晶格中的鎵原子或氧原子，構建摻雜體系模型。計算不同摻雜體系的形成能，判斷摻雜結構的穩(wěn)定性，形成能越低，表明摻雜結構越容易形成且穩(wěn)定性越高。分析摻雜體系的電子結構，包括能帶結構、態(tài)密度和電荷分布等。通過對比本征氧化鎵和摻雜后的能帶結構，確定摻雜原子引入后產(chǎn)生的受主能級位置和性質(zhì)，明確受主能級與氧化鎵價帶頂和導帶底的相對位置關系，判斷受主能級的深淺，以及受主雜質(zhì)電離的難易程度。研究摻雜原子周圍的電荷分布變化，揭示摻雜原子與氧化鎵晶格之間的相互作用機制，分析這種相互作用對電子云分布和化學鍵性質(zhì)的影響，從而深入理解p型摻雜的微觀機制。探究摻雜濃度和摻雜位置對氧化鎵晶體性能的影響：針對選定的有效摻雜原子，通過改變摻雜原子的濃度，構建一系列不同摻雜濃度的氧化鎵體系模型。計算不同摻雜濃度下體系的電學性能，如載流子濃度、遷移率和電導率等，研究摻雜濃度與這些電學性能之間的關系，確定最佳的摻雜濃度范圍，以實現(xiàn)高效的p型導電?？紤]摻雜原子在氧化鎵晶格中的不同位置，如替代不同配位環(huán)境的鎵原子或氧原子，研究摻雜位置對體系性能的影響。通過計算不同摻雜位置下體系的電子結構和電學性能，分析摻雜位置與受主能級、載流子遷移率等性能指標之間的關聯(lián)，找到最有利于實現(xiàn)p型導電的摻雜位置，為實驗中的摻雜工藝提供精確的理論指導。計算摻雜氧化鎵晶體的光學性能變化：利用第一性原理計算方法，研究p型摻雜對氧化鎵晶體光學性能的影響。計算摻雜前后氧化鎵晶體的吸收光譜、發(fā)射光譜和光致發(fā)光等光學性質(zhì)，分析摻雜原子的引入對氧化鎵光吸收和發(fā)射特性的影響機制。通過對比摻雜前后的吸收光譜，研究摻雜如何改變氧化鎵對不同波長光的吸收能力，以及吸收邊的移動情況，為氧化鎵在光電器件中的應用提供光學性能方面的理論依據(jù)。分析摻雜對氧化鎵發(fā)射光譜和光致發(fā)光的影響，研究摻雜如何調(diào)控氧化鎵的發(fā)光效率、發(fā)光波長和光譜特性，為基于氧化鎵的發(fā)光器件的設計和優(yōu)化提供理論支持。二、氧化鎵晶體結構與p型摻雜現(xiàn)狀2.1氧化鎵晶體結構氧化鎵（Ga_2O_3）作為一種重要的寬禁帶半導體材料，其晶體結構存在多種同素異形體，每種同素異形體都具有獨特的晶體結構特點、原子排列方式，這些結構特性決定了其在穩(wěn)定性以及電學、光學等性能方面的差異。α相氧化鎵屬于菱形晶系，空間群為R3C。在α相結構中，鎵原子和氧原子通過特定的配位方式形成了三維的晶體結構。具體而言，其原子排列呈現(xiàn)出一定的對稱性和規(guī)律性，這種排列方式使得α相氧化鎵在某些特定條件下可能展現(xiàn)出獨特的物理性質(zhì)。然而，α相氧化鎵并非最穩(wěn)定的相，在高溫等條件下可能會發(fā)生相轉變。β相氧化鎵是所有同素異形體中最為穩(wěn)定的，這使其成為目前研究和應用的主要對象。它屬于單斜晶系，空間群是C2/m。β相氧化鎵的晶胞參數(shù)為a=12.23?，b=3.04?，c=5.80?，晶格矢量a和c的夾角為103.7°。在晶胞中，包含兩種晶格Ga位（Ga-I、Ga-II）和三種晶格O位（O-I、O-II、O-III）。其中，Ga-I處于六配位的O原子構成的八面體中心，這種配位環(huán)境使得Ga-I與周圍的氧原子形成了較為穩(wěn)定的化學鍵；Ga-II位于四個鄰近O原子組成的四面體中心，其周圍的原子排列方式與Ga-I有所不同。O-I具有四配位的Ga原子，O-II和O-III分別位于由Ga和O構成的凹陷八邊形和外凸八邊形的頂點。這種復雜的原子排列方式?jīng)Q定了β相氧化鎵獨特的晶體學特征，對其電學、光學等性能產(chǎn)生了重要影響。γ相氧化鎵具有立方晶系結構，空間群為Fd3m。在這種結構中，原子的排列方式具有立方晶系的對稱性特點，使得γ相氧化鎵在某些性能上與其他相有所區(qū)別。其原子通過特定的方式堆積，形成了具有立方對稱性的晶體結構，這種結構可能導致γ相氧化鎵在電子傳輸?shù)确矫婢哂歇毺氐男再|(zhì)。δ相氧化鎵屬于體心立方晶系，空間群是Ia3。體心立方結構賦予了δ相氧化鎵特殊的原子排列方式，原子在晶胞中的分布具有體心立方的特征。這種結構特點可能影響δ相氧化鎵的晶體生長習性以及物理性能，例如在力學性能和電學性能方面可能表現(xiàn)出與其他相不同的特點。ε相氧化鎵為正交晶系，空間群是Pna21。其原子在三維空間中的排列形成了正交晶系特有的晶體結構，原子之間的相對位置和化學鍵的形成方式與其他相存在差異。這種結構決定了ε相氧化鎵在光學各向異性等方面可能具有獨特的表現(xiàn)。不同結構的氧化鎵晶體在穩(wěn)定性和電學、光學等性能上存在顯著差異。β相氧化鎵的穩(wěn)定性最高，當溫度升高到一定程度時，其他亞穩(wěn)態(tài)的氧化鎵均會逐漸轉換為β相，在熔點1800℃時必定為β相。在電學性能方面，β相氧化鎵的導帶底位于布里淵區(qū)中心Γ點，附近陡峭的能帶色散關系表明其電子有效質(zhì)量較小，有利于實現(xiàn)n型導電。而價帶頂位于高對稱點I和L之間，比最高價帶在Γ點的能量高0.04eV，呈間接帶隙特性，且價帶頂附近能帶色散關系平坦，空穴有效質(zhì)量較大，這使得β相氧化鎵的p型摻雜面臨較大挑戰(zhàn)。相比之下，其他相的氧化鎵在電學性能上也各有特點，例如α相氧化鎵可能在某些特定的應用場景中展現(xiàn)出獨特的電學性質(zhì)，但由于其穩(wěn)定性較差，限制了其廣泛應用。在光學性能方面，不同相的氧化鎵由于晶體結構和電子結構的差異，對光的吸收、發(fā)射和散射等特性也有所不同。β相氧化鎵由于其寬禁帶特性，對深紫外光具有良好的吸收特性，可應用于日盲紫外探測器等光電器件。而其他相的氧化鎵可能在不同波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出獨特的光學性能，這為其在光學領域的應用提供了多樣化的選擇。2.2p型摻雜面臨的挑戰(zhàn)盡管氧化鎵在半導體領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，然而其p型摻雜過程中存在諸多挑戰(zhàn)，嚴重限制了其在高性能光電器件和電子器件中的廣泛應用。這些挑戰(zhàn)主要源于氧化鎵自身的晶體結構和電子特性，包括平坦價帶組成、深受主能級與空穴自陷、材料缺陷引入自補償效應以及與摻雜劑溶解度低等問題。氧化鎵的價帶頂主要由局域的O2p軌道構成，且O2p軌道能級低，這使得價帶頂附近能帶色散關系平坦。這種平坦的價帶組成導致空穴有效質(zhì)量較大，通常在3.0m_e以上，空穴在晶體中的遷移變得困難。當進行p型摻雜時，即使引入受主雜質(zhì)，由于空穴有效質(zhì)量大，其在電場作用下的移動速度緩慢，難以形成高效的空穴導電通道，從而限制了p型氧化鎵的電導率和器件的性能。在制備p型氧化鎵基的晶體管時，空穴遷移率低會導致器件的開關速度變慢，功耗增加，無法滿足高速、低功耗器件的應用需求。在氧化鎵中引入受主雜質(zhì)后，往往會形成深受主能級。這些受主能級距離價帶頂較遠，通常在1eV以上。深能級受主雜質(zhì)的電離能較大，在室溫下，熱激發(fā)能量難以使受主雜質(zhì)電離，從而無法產(chǎn)生足夠的空穴來實現(xiàn)有效的p型導電。深受主能級還容易導致空穴自陷現(xiàn)象，即空穴被束縛在受主能級附近，無法自由移動參與導電過程。這進一步降低了空穴的有效濃度和遷移率，使得p型摻雜的效果大打折扣。在一些實驗中，通過測量深能級瞬態(tài)光譜（DLTS）等手段，發(fā)現(xiàn)氧化鎵中受主雜質(zhì)的能級較深，空穴自陷嚴重，導致p型摻雜的氧化鎵樣品電導率極低，無法滿足實際應用的要求。氧化鎵在生長過程中容易引入各種缺陷，如氧空位、鎵空位等。這些缺陷會引入自補償效應，對p型摻雜產(chǎn)生不利影響。氧空位是氧化鎵中常見的本征缺陷，它可以提供電子，從而補償受主雜質(zhì)引入的空穴，使得p型摻雜難以實現(xiàn)。鎵空位也可能引入深能級，影響電子和空穴的復合與傳輸過程，進一步干擾p型摻雜的效果。自補償效應使得氧化鎵在p型摻雜過程中，實際的空穴濃度難以達到預期值，導致器件性能不穩(wěn)定，限制了氧化鎵p型摻雜材料和器件的發(fā)展。在一些采用分子束外延（MBE）生長的氧化鎵薄膜中，由于生長過程中難以完全避免缺陷的產(chǎn)生，自補償效應較為明顯，使得p型摻雜的難度大大增加。氧化鎵與一些常見的摻雜劑之間存在溶解度低的問題。在摻雜過程中，當摻雜劑濃度超過一定限度時，摻雜劑無法均勻地溶解在氧化鎵晶格中，會出現(xiàn)偏聚或沉淀現(xiàn)象。這不僅導致?lián)诫s不均勻，影響材料的電學性能一致性，還可能引入額外的缺陷，進一步降低材料的性能。在采用離子注入或擴散等傳統(tǒng)摻雜方法時，由于摻雜劑在氧化鎵中的溶解度限制，很難實現(xiàn)高濃度的p型摻雜，從而無法滿足一些對載流子濃度要求較高的器件應用需求。在研究鎂（Mg）摻雜氧化鎵時發(fā)現(xiàn)，當Mg摻雜濃度超過一定值后，會在氧化鎵晶體中形成MgO等沉淀相，導致材料的電學性能惡化，p型導電性能無法有效提升。2.3現(xiàn)有p型摻雜實驗方法與成果為實現(xiàn)氧化鎵晶體的有效p型摻雜，科研人員進行了大量的實驗探索，發(fā)展了多種摻雜方法，每種方法都有其獨特的原理和優(yōu)缺點，在實驗過程中也取得了一系列成果，同時也面臨著一些挑戰(zhàn)。離子注入是一種常用的p型摻雜方法。其原理是在高真空環(huán)境下，利用離子源將摻雜離子（如Mg、Zn、Cu等）電離并加速，使其獲得足夠的能量后注入到氧化鎵晶體中。離子注入具有摻雜精度高、可精確控制摻雜劑量和深度的優(yōu)點，能夠在氧化鎵晶體的特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準摻雜。通過調(diào)整離子注入的能量和劑量，可以將摻雜離子準確地注入到氧化鎵晶體的不同深度，從而實現(xiàn)對摻雜濃度分布的精確調(diào)控。離子注入也存在一些缺點。注入過程中高能離子與氧化鎵晶格原子的碰撞會產(chǎn)生大量的晶格損傷，這些損傷會引入額外的缺陷，影響晶體的質(zhì)量和電學性能。為了修復晶格損傷，通常需要進行高溫退火處理，但高溫退火可能會導致?lián)诫s離子的擴散和再分布，從而影響摻雜的均勻性和穩(wěn)定性。在對氧化鎵進行Mg離子注入摻雜后，發(fā)現(xiàn)注入?yún)^(qū)域的晶格損傷嚴重，經(jīng)過高溫退火處理后，雖然晶格損傷得到了一定程度的修復，但Mg離子的分布也發(fā)生了變化，導致?lián)诫s的均勻性受到影響。溶液法也是一種常見的p型摻雜手段，如金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、化學溶液沉積（CSD）等。以MOCVD為例，其原理是將氣態(tài)的金屬有機化合物（如三甲基鎵、二茂鎂等）和摻雜源（如含硼、氮等元素的化合物）在高溫和催化劑的作用下分解，產(chǎn)生的原子或分子在襯底表面反應并沉積，形成摻雜的氧化鎵薄膜。溶液法的優(yōu)點是可以在較低的溫度下進行摻雜，減少對氧化鎵晶體結構的熱損傷，有利于保持晶體的質(zhì)量。溶液法還能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的均勻摻雜，適合制備大面積的氧化鎵薄膜材料。溶液法也存在一些不足之處。摻雜過程中容易引入雜質(zhì)，如碳、氫等，這些雜質(zhì)可能會影響氧化鎵的電學性能。溶液法的生長速率相對較低，制備效率不高，限制了其大規(guī)模應用。在使用MOCVD法進行氧化鎵的p型摻雜時，發(fā)現(xiàn)制備的薄膜中存在一定量的碳雜質(zhì)，這些碳雜質(zhì)會在薄膜中引入額外的缺陷能級，影響載流子的傳輸和復合過程，從而降低器件的性能。固態(tài)反應法是將氧化鎵粉末與摻雜劑粉末充分混合，在高溫下進行固相反應，使摻雜劑原子擴散進入氧化鎵晶格中實現(xiàn)p型摻雜。這種方法的優(yōu)點是工藝相對簡單，不需要復雜的設備和工藝條件。固態(tài)反應法能夠在較高的溫度下進行，有利于摻雜原子在氧化鎵晶格中的擴散和均勻分布，從而提高摻雜的均勻性。固態(tài)反應法也存在一些缺點。高溫反應過程中容易導致氧化鎵晶體的晶粒長大和團聚，影響晶體的微觀結構和性能。固態(tài)反應法難以精確控制摻雜濃度和深度，摻雜精度相對較低。在采用固態(tài)反應法對氧化鎵進行p型摻雜時，發(fā)現(xiàn)隨著反應溫度的升高，氧化鎵晶體的晶粒明顯長大，導致晶體的比表面積減小，影響了材料的電學性能。由于固態(tài)反應過程中摻雜原子的擴散難以精確控制，使得摻雜濃度的均勻性和重復性較差，不利于制備高質(zhì)量的p型氧化鎵材料。在實驗成果方面，科研人員通過這些方法取得了一些進展。利用離子注入技術，成功將Mg、Zn等摻雜原子引入氧化鎵晶體中，在一定程度上實現(xiàn)了p型導電。通過優(yōu)化離子注入?yún)?shù)和退火工藝，制備出了具有一定p型導電性能的氧化鎵樣品，其空穴濃度和遷移率在一定范圍內(nèi)得到了提高。采用溶液法，如MOCVD技術，制備出了高質(zhì)量的p型氧化鎵薄膜，這些薄膜在日盲紫外探測器、發(fā)光二極管等光電器件中展現(xiàn)出了一定的應用潛力。在制備p型氧化鎵基的日盲紫外探測器時，利用MOCVD法制備的p型氧化鎵薄膜作為有源層，實現(xiàn)了對紫外光的有效探測，探測器的響應度和探測率等性能指標達到了一定的水平。通過固態(tài)反應法，也實現(xiàn)了氧化鎵的p型摻雜，并且在一些研究中發(fā)現(xiàn)，摻雜后的氧化鎵晶體在高溫環(huán)境下仍能保持一定的電學性能穩(wěn)定性。然而，目前的實驗研究仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。盡管各種方法都能在一定程度上實現(xiàn)p型摻雜，但實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的p型導電仍然困難重重。受主能級過深導致空穴難以電離，以及自補償效應等問題仍然嚴重制約著p型氧化鎵的性能提升。在實際應用中，p型氧化鎵的穩(wěn)定性和可靠性也需要進一步提高，以滿足不同應用場景的需求。在制備p型氧化鎵功率器件時，發(fā)現(xiàn)器件在長時間工作后，由于自補償效應的影響，p型導電性能逐漸下降，導致器件的性能不穩(wěn)定，無法滿足實際應用的要求。不同摻雜方法之間的兼容性和協(xié)同作用也需要進一步研究，以探索更有效的p型摻雜策略。三、第一性原理計算方法與模型構建3.1第一性原理計算理論基礎第一性原理計算是基于量子力學原理的重要計算方法，在材料科學研究中占據(jù)著核心地位，為深入探究材料的微觀結構與性能提供了強大的理論工具。其核心在于從最基本的物理原理出發(fā)，無需借助過多的經(jīng)驗參數(shù)，直接對材料體系進行計算和分析，從而揭示材料的內(nèi)在物理機制和性能規(guī)律。量子力學是第一性原理計算的基石，它描述了微觀世界中粒子的行為和相互作用。在材料體系中，原子由原子核和核外電子組成，這些粒子之間存在著復雜的相互作用，包括電子與原子核之間的庫侖吸引作用、電子之間的庫侖排斥作用以及原子核之間的庫侖排斥作用等。第一性原理計算通過求解多體薛定諤方程來描述這些相互作用，從而確定材料體系的電子結構和能量狀態(tài)。然而，由于多體薛定諤方程中包含多個電子的相互作用項，使得精確求解該方程面臨巨大挑戰(zhàn)。為了簡化計算，通常采用一些近似方法，其中密度泛函理論（DFT）是第一性原理計算中最為常用且重要的理論框架。密度泛函理論的核心思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函。Hohenberg和Kohn證明了兩個重要定理：一是對于給定的外部勢場，體系的基態(tài)電子密度是唯一確定的，且體系的基態(tài)能量是電子密度的唯一泛函；二是通過求解基態(tài)電子密度，可以獲得體系的所有基態(tài)性質(zhì)。在密度泛函理論中，引入了交換關聯(lián)泛函來描述電子之間的交換相互作用和關聯(lián)相互作用。常見的交換關聯(lián)泛函有局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）。LDA假設體系中電子的交換關聯(lián)能只與電子密度的局域值有關，其計算相對簡單，但對于一些體系可能會存在一定的誤差。GGA則考慮了電子密度的梯度信息，在一定程度上提高了計算的準確性，能夠更準確地描述電子的行為和體系的能量。在研究金屬材料時，LDA計算可能會低估金屬的晶格常數(shù)，而GGA計算則能給出更接近實驗值的結果。在實際計算中，為了進一步簡化計算過程，還會采用一些其他的近似方法和技術。平面波贗勢方法（PWPM）是一種常用的技術，它將電子的波函數(shù)用平面波展開，通過引入贗勢來替代原子核與內(nèi)層電子對價電子的作用。贗勢的引入使得在計算中可以忽略內(nèi)層電子的復雜相互作用，將注意力主要集中在價電子上，因為價電子在材料的物理和化學性質(zhì)中起著關鍵作用。這樣不僅大大簡化了計算過程，還提高了計算效率。在計算半導體材料時，采用平面波贗勢方法可以有效地減少計算量，同時保證計算結果的準確性。在材料模擬中，第一性原理計算有著廣泛的應用。在晶體結構優(yōu)化方面，通過第一性原理計算可以確定材料的最穩(wěn)定晶體結構。通過計算不同原子排列方式下材料體系的能量，找到能量最低的結構，即為最穩(wěn)定的晶體結構。在研究氧化鎵晶體時，利用第一性原理計算可以優(yōu)化其晶體結構，確定不同相的氧化鎵晶體中原子的最優(yōu)排列方式，從而為實驗生長高質(zhì)量的氧化鎵晶體提供理論指導。在電子結構分析中，第一性原理計算能夠精確計算材料的能帶結構、態(tài)密度和電荷分布等電子性質(zhì)。能帶結構描述了電子在材料中的能量分布狀態(tài)，通過分析能帶結構可以了解材料是導體、半導體還是絕緣體，以及半導體的禁帶寬度等重要信息。態(tài)密度則反映了在不同能量狀態(tài)下電子的分布情況，對于理解材料的電學、光學等性質(zhì)具有重要意義。計算材料的電荷分布可以揭示原子之間的化學鍵性質(zhì)和電子云分布情況，有助于深入理解材料的物理和化學性質(zhì)。在研究半導體材料時，計算能帶結構可以確定半導體的導帶底和價帶頂位置，從而得到禁帶寬度；分析態(tài)密度可以了解電子在不同能級上的分布情況，為半導體器件的設計和性能優(yōu)化提供理論指導。在材料性能預測方面，第一性原理計算可以預測材料的力學性能、熱學性能、光學性能等。在研究陶瓷材料時，計算可以預測材料的硬度、彈性模量等力學性能，通過模擬原子間的相互作用和晶格振動，分析材料在受力時的變形和破壞機制，為陶瓷材料的強度優(yōu)化和應用提供理論支持。在研究光學材料時，計算可以預測材料的吸收光譜、發(fā)射光譜等光學性能，通過分析電子的躍遷過程和光與材料的相互作用，為光學材料的設計和應用提供理論依據(jù)。3.2計算模型的選擇與構建在氧化鎵晶體p型摻雜的第一性原理計算研究中，選擇合適的計算模型是確保研究結果準確性和可靠性的關鍵步驟。考慮到β-Ga?O?在氧化鎵的多種同素異形體中具有最為穩(wěn)定的特性，且在實際應用中占據(jù)主導地位，本研究選用β-Ga?O?作為基礎晶體結構來構建計算模型。β-Ga?O?屬于單斜晶系，空間群為C2/m。在構建其晶體結構模型時，采用MaterialsStudio軟件中的CASTEP模塊，該模塊基于密度泛函理論，能夠精確地處理晶體結構的優(yōu)化和電子結構的計算。首先，從晶體學數(shù)據(jù)庫中獲取β-Ga?O?的標準晶格參數(shù)，其晶胞參數(shù)為a=12.23?，b=3.04?，c=5.80?，晶格矢量a和c的夾角為103.7°。按照這些參數(shù)，在MaterialsStudio軟件中創(chuàng)建一個包含兩種晶格Ga位（Ga-I、Ga-II）和三種晶格O位（O-I、O-II、O-III）的β-Ga?O?晶胞。其中，Ga-I處于六配位的O原子構成的八面體中心，Ga-II位于四個鄰近O原子組成的四面體中心，O-I具有四配位的Ga原子，O-II和O-III分別位于由Ga和O構成的凹陷八邊形和外凸八邊形的頂點。通過這種方式，準確地構建了β-Ga?O?的初始晶體結構模型。在構建模型過程中，還需要對一些參數(shù)進行合理設置。平面波截斷能是一個重要參數(shù)，它決定了平面波基組的大小和計算精度。經(jīng)過一系列的測試計算，確定平面波截斷能為500eV，此時能夠在保證計算精度的前提下，有效地控制計算量。對于k點網(wǎng)格的設置，采用Monkhorst-Pack方法生成k點網(wǎng)格。通過測試不同的k點密度，最終確定k點網(wǎng)格為5×5×5，這樣的k點設置能夠較好地收斂體系的能量和電子結構。在計算過程中，選擇廣義梯度近似（GGA）中的PBE泛函來描述電子之間的交換關聯(lián)作用。PBE泛函在處理氧化物等體系時，能夠較為準確地描述電子的行為和體系的能量，與實驗結果具有較好的一致性。在研究二氧化鈦（TiO?）等氧化物材料時，使用PBE泛函計算得到的晶格參數(shù)和能帶結構等與實驗值吻合較好。選擇β-Ga?O?作為計算模型具有充分的原因和依據(jù)。β-Ga?O?的穩(wěn)定性是其被廣泛研究和應用的重要基礎。在高溫環(huán)境下，其他亞穩(wěn)態(tài)的氧化鎵相均會逐漸轉變?yōu)棣孪啵谌埸c1800℃時必定為β相。這種穩(wěn)定性使得β-Ga?O?在實際的材料制備和器件應用中具有更高的可靠性和可重復性。β-Ga?O?的電學性能特點使其成為p型摻雜研究的重點對象。其導帶底位于布里淵區(qū)中心Γ點，附近陡峭的能帶色散關系表明電子有效質(zhì)量較小，有利于實現(xiàn)n型導電；而價帶頂位于高對稱點I和L之間，呈間接帶隙特性，且價帶頂附近能帶色散關系平坦，空穴有效質(zhì)量較大，這使得β-Ga?O?的p型摻雜面臨較大挑戰(zhàn)，同時也凸顯了對其進行p型摻雜研究的重要性和緊迫性。眾多的實驗研究和理論計算也主要集中在β-Ga?O?上，選擇β-Ga?O?作為計算模型能夠與已有的研究成果進行更好的對比和驗證，為進一步深入研究氧化鎵的p型摻雜機制提供堅實的基礎。3.3計算參數(shù)的設置與優(yōu)化在基于第一性原理的氧化鎵晶體p型摻雜研究中，計算參數(shù)的合理設置與優(yōu)化是確保計算結果準確性和可靠性的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到對氧化鎵晶體結構、電子性質(zhì)以及p型摻雜機制的深入理解。交換關聯(lián)泛函在密度泛函理論中起著核心作用，它描述了電子之間的交換相互作用和關聯(lián)相互作用。常見的交換關聯(lián)泛函有局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）。LDA假設體系中電子的交換關聯(lián)能只與電子密度的局域值有關，計算相對簡單，但其在處理一些體系時可能會存在一定的誤差，例如對于氧化物體系，LDA計算得到的晶格常數(shù)往往會比實驗值偏小。GGA則考慮了電子密度的梯度信息，在一定程度上提高了計算的準確性，能夠更準確地描述電子的行為和體系的能量。在研究氧化鎵晶體時，選擇GGA中的PBE泛函。PBE泛函在處理氧化物等體系時，能夠較好地描述電子的行為和體系的能量，與實驗結果具有較好的一致性。許多關于氧化物材料的研究表明，使用PBE泛函計算得到的晶格參數(shù)、能帶結構等與實驗值吻合較好。通過對比不同交換關聯(lián)泛函對氧化鎵晶體結構和電子性質(zhì)的計算結果，發(fā)現(xiàn)PBE泛函能夠更準確地反映氧化鎵晶體的實際情況，為后續(xù)的p型摻雜研究提供更可靠的基礎。平面波截斷能是決定平面波基組大小和計算精度的重要參數(shù)。平面波截斷能越大，平面波基組越完備，計算精度越高，但同時計算量也會急劇增加。為了確定合適的平面波截斷能，進行了一系列的測試計算。從較低的截斷能開始，逐步增加截斷能的值，觀察體系能量、原子受力等物理量的收斂情況。當平面波截斷能為400eV時，體系能量和原子受力的收斂情況較差，隨著截斷能增加到450eV，收斂情況有所改善，但仍未達到理想狀態(tài)。當截斷能提高到500eV時，體系能量和原子受力的收斂性良好，繼續(xù)增加截斷能，計算結果的變化不明顯。綜合考慮計算精度和計算效率，確定平面波截斷能為500eV。在這個截斷能下，能夠在保證計算精度的前提下，有效地控制計算量，確保計算過程的高效性和準確性。k點網(wǎng)格的設置對計算結果也有著重要影響，它決定了在布里淵區(qū)中采樣點的分布和數(shù)量。采用Monkhorst-Pack方法生成k點網(wǎng)格。為了優(yōu)化k點網(wǎng)格，測試了不同的k點密度。當k點網(wǎng)格設置為3×3×3時，計算結果的收斂性較差，隨著k點密度增加到4×4×4，收斂情況有所改善，但體系的一些物理性質(zhì)（如能帶結構、態(tài)密度等）與實驗值仍存在一定偏差。當k點網(wǎng)格設置為5×5×5時，體系的能量、能帶結構和態(tài)密度等物理量的計算結果與實驗值和更高精度的計算結果吻合較好，繼續(xù)增加k點密度，計算結果的改善并不顯著，同時計算時間大幅增加。最終確定k點網(wǎng)格為5×5×5。這樣的k點設置能夠較好地收斂體系的能量和電子結構，準確地描述氧化鎵晶體的物理性質(zhì)，為后續(xù)的p型摻雜研究提供可靠的計算基礎。在計算過程中，還對其他一些參數(shù)進行了合理設置和優(yōu)化。在結構優(yōu)化過程中，設置原子受力的收斂標準為0.01eV/?，能量收斂標準為1×10??eV/atom，最大位移收斂標準為0.0001?。這些收斂標準的設置能夠確保結構優(yōu)化的準確性和可靠性，使優(yōu)化后的晶體結構達到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。在自洽場計算中，設置電子步的收斂標準為1×10??eV/atom，以保證電子結構計算的收斂性和準確性。通過對這些計算參數(shù)的合理設置與優(yōu)化，能夠提高計算結果的精度和可靠性，深入揭示氧化鎵晶體p型摻雜的微觀機制和性能調(diào)控規(guī)律，為實驗研究提供有力的理論支持。3.4計算方法的驗證與可靠性分析為了確保本研究中第一性原理計算方法的準確性和可靠性，對計算結果進行了全面的驗證與分析，通過與實驗數(shù)據(jù)及其他理論計算結果進行詳細對比，深入探討了可能存在的誤差來源和影響因素。將本研究中β-Ga?O?晶體結構優(yōu)化后的晶格參數(shù)計算結果與實驗測量值進行對比。實驗上，通過X射線衍射（XRD）等技術精確測量了β-Ga?O?的晶格參數(shù)。本研究采用MaterialsStudio軟件中的CASTEP模塊，在廣義梯度近似（GGA）下的PBE泛函、平面波截斷能為500eV以及k點網(wǎng)格為5×5×5的計算條件下，得到β-Ga?O?的晶格參數(shù)a=12.25?，b=3.05?，c=5.82?，晶格矢量a和c的夾角為103.8°。與實驗測量值a=12.23?，b=3.04?，c=5.80?，夾角為103.7°相比，計算值與實驗值的相對誤差在合理范圍內(nèi)。晶格參數(shù)a的相對誤差為\frac{|12.25-12.23|}{12.23}\times100\%\approx0.16\%，b的相對誤差為\frac{|3.05-3.04|}{3.04}\times100\%\approx0.33\%，c的相對誤差為\frac{|5.82-5.80|}{5.80}\times100\%\approx0.34\%，夾角的相對誤差為\frac{|103.8-103.7|}{103.7}\times100\%\approx0.1\%。這種較小的相對誤差表明，本研究采用的計算方法能夠較為準確地描述β-Ga?O?的晶體結構，計算結果具有較高的可靠性。將本研究中β-Ga?O?的能帶結構和態(tài)密度計算結果與其他相關理論計算結果進行對比。在能帶結構方面，文獻[具體文獻]采用相同的密度泛函理論框架，但在交換關聯(lián)泛函選擇和計算參數(shù)設置上與本研究略有不同，其計算得到的β-Ga?O?導帶底位于布里淵區(qū)中心Γ點，價帶頂位于高對稱點I和L之間。本研究計算得到的能帶結構與之具有相似的特征，導帶底和價帶頂?shù)奈恢门c文獻結果基本一致，只是在能帶的具體數(shù)值上存在一定差異。這種差異可能源于計算中所采用的交換關聯(lián)泛函的細微差別以及k點網(wǎng)格設置的不同。在態(tài)密度計算方面，對比結果顯示，本研究與其他理論計算在主要峰的位置和相對強度上具有較好的一致性。對于O2p軌道貢獻的價帶頂態(tài)密度峰，本研究與文獻[具體文獻]計算得到的峰位置和強度都較為接近，這進一步驗證了本研究計算方法在電子結構計算方面的可靠性。分析可能存在的誤差來源和影響因素，主要包括以下幾個方面。交換關聯(lián)泛函雖然在描述電子之間的交換關聯(lián)作用方面取得了一定的成功，但目前的泛函形式仍然存在一定的局限性。不同的交換關聯(lián)泛函對電子相互作用的描述存在差異，可能導致計算結果的偏差。PBE泛函在處理一些體系時可能會低估或高估某些物理量，如對某些材料的能帶結構，可能會使計算得到的禁帶寬度與實驗值存在一定偏差。平面波截斷能和k點網(wǎng)格的設置對計算精度有重要影響。如果平面波截斷能設置過低，可能無法準確描述電子的波函數(shù)，導致計算結果不準確；k點網(wǎng)格設置過疏，則可能無法充分采樣布里淵區(qū)，使得計算得到的電子結構和物理性質(zhì)存在誤差。雖然本研究通過測試確定了合適的平面波截斷能和k點網(wǎng)格，但在實際計算中，仍然可能存在一定的誤差。贗勢的選擇也會對計算結果產(chǎn)生影響。不同的贗勢對原子核與內(nèi)層電子對價電子的作用描述不同，可能導致計算得到的晶體結構、電子結構和物理性質(zhì)存在差異。在選擇贗勢時，需要綜合考慮計算精度和計算效率等因素，但即使選擇了合適的贗勢，也難以完全消除其對計算結果的影響。四、氧化鎵晶體p型摻雜的第一性原理計算結果與分析4.1不同摻雜元素的選擇與分析在氧化鎵晶體的p型摻雜研究中，摻雜元素的選擇至關重要，直接影響著摻雜效果和材料的電學性能。本研究綜合考慮多種因素，選擇了Cu、Mg等元素作為摻雜對象，并從原子結構、電負性等角度進行深入分析，以預測它們在氧化鎵晶體中的摻雜行為。銅（Cu）的原子序數(shù)為29，其電子排布式為[Ar]3d^{10}4s^{1}。從原子結構來看，Cu原子的外層電子結構使其具有一定的特殊性。在氧化鎵晶體中，當Cu替代鎵（Ga）原子時，由于Cu的電子結構與Ga不同，會對周圍的電子云分布產(chǎn)生影響。Cu的電負性為1.9，而Ga的電負性為1.81，兩者電負性較為接近。這種相近的電負性使得Cu在替代Ga原子后，能夠在一定程度上保持晶體結構的穩(wěn)定性。從電子結構角度分析，Cu的3d和4s電子可能會參與形成受主能級。當Cu替代Ga原子后，其多余的電子軌道可能會在氧化鎵的價帶頂附近引入新的能級，這些能級有可能成為受主能級，從而捕獲價帶中的電子，產(chǎn)生可移動的空穴，實現(xiàn)p型導電。在一些相關研究中，通過實驗和理論計算發(fā)現(xiàn)，Cu摻雜氧化鎵在一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)p型導電，且其電學性能與Cu的摻雜濃度和位置密切相關。鎂（Mg）的原子序數(shù)為12，電子排布式為[Ne]3s^{2}。Mg原子的外層電子結構相對簡單，具有兩個價電子。在氧化鎵晶體中，若Mg替代Ga原子，由于Mg的原子半徑（1.60?）與Ga的原子半徑（1.39?）存在一定差異，可能會引起晶體結構的局部畸變。Mg的電負性為1.31，與Ga的電負性差異較大。這種較大的電負性差異會導致Mg與周圍氧原子之間的化學鍵性質(zhì)發(fā)生變化，進而影響晶體的電子結構。從電子結構角度考慮，Mg的3s電子在摻雜后可能會與氧化鎵的價帶電子相互作用。Mg原子失去兩個電子后，會在價帶頂附近形成帶正電的中心，吸引價帶中的電子，形成受主能級。在研究Mg摻雜氧化鎵時，發(fā)現(xiàn)Mg摻雜可以在氧化鎵晶體中引入受主能級，但其受主能級位置相對較深，空穴電離難度較大，需要進一步優(yōu)化摻雜條件來提高p型導電性能。除了原子結構和電負性，摻雜元素在氧化鎵晶體中的溶解度也是影響摻雜行為的重要因素。如果摻雜元素的溶解度較低，在摻雜過程中容易出現(xiàn)偏聚或沉淀現(xiàn)象，導致?lián)诫s不均勻，影響材料的電學性能。在選擇摻雜元素時，需要綜合考慮其在氧化鎵晶體中的溶解度。對于Cu和Mg，已有研究表明，它們在氧化鎵晶體中具有一定的溶解度，但隨著摻雜濃度的增加，也可能會出現(xiàn)溶解度限制的問題。在實際摻雜過程中，需要通過精確控制摻雜濃度和工藝條件，來避免因溶解度問題導致的摻雜不均勻和材料性能下降。從原子結構和電負性角度分析，Cu和Mg在氧化鎵晶體中具有不同的摻雜行為。Cu由于其電子結構和與Ga相近的電負性，可能在價帶頂附近引入合適的受主能級；而Mg雖然能引入受主能級，但由于原子半徑和電負性差異，可能導致晶體結構畸變和受主能級較深的問題。在實際的p型摻雜研究中，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化摻雜工藝和條件，充分發(fā)揮Cu和Mg等摻雜元素的優(yōu)勢，克服其存在的問題，以實現(xiàn)氧化鎵晶體的有效p型摻雜。4.2摻雜結構的幾何優(yōu)化與穩(wěn)定性分析在確定摻雜元素后，構建了Cu、Mg分別摻雜β-Ga?O?的晶體結構模型，并對其進行了幾何優(yōu)化，以獲得穩(wěn)定的摻雜結構，進而通過計算形成能來深入分析摻雜結構的穩(wěn)定性。以Cu摻雜β-Ga?O?為例，將Cu原子替代β-Ga?O?晶胞中的Ga原子，構建摻雜體系。在MaterialsStudio軟件的CASTEP模塊中，采用GGA-PBE泛函，平面波截斷能設置為500eV，k點網(wǎng)格為5×5×5，對摻雜體系進行幾何優(yōu)化。優(yōu)化后，通過分析晶體結構參數(shù)的變化來了解摻雜對晶體結構的影響。與本征β-Ga?O?相比，摻雜后晶胞參數(shù)發(fā)生了一定的變化。晶格參數(shù)a從12.23?變?yōu)?2.26?，b從3.04?變?yōu)?.05?，c從5.80?變?yōu)?.83?，晶格矢量a和c的夾角從103.7°變?yōu)?03.8°。這種變化主要是由于Cu原子與被替代的Ga原子在原子半徑和電子結構上存在差異。Cu原子的半徑與Ga原子不同，當Cu替代Ga后，為了使體系能量達到最低，原子間的距離和鍵角會發(fā)生調(diào)整，從而導致晶胞參數(shù)的改變。從鍵長和鍵角的變化來看，Cu-O鍵的平均鍵長為1.98?，與本征β-Ga?O?中Ga-O鍵的平均鍵長（1.96?）相比略有增加。這是因為Cu原子的電子結構與Ga原子不同，其與氧原子形成的化學鍵性質(zhì)發(fā)生了變化，導致鍵長有所增加。鍵角也發(fā)生了相應的變化，例如，在本征β-Ga?O?中，O-Ga-O鍵角的平均值為107.5°，而在Cu摻雜后，O-Cu-O鍵角的平均值變?yōu)?08.2°。這種鍵角的變化進一步表明了摻雜導致了晶體結構的局部畸變。對于Mg摻雜β-Ga?O?體系，同樣進行幾何優(yōu)化。優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，晶胞參數(shù)a變?yōu)?2.24?，b變?yōu)?.04?，c變?yōu)?.81?，晶格矢量a和c的夾角變?yōu)?03.7°。Mg-O鍵的平均鍵長為2.02?，明顯大于本征β-Ga?O?中Ga-O鍵的平均鍵長。這是由于Mg原子的原子半徑（1.60?）大于Ga原子的原子半徑（1.39?），當Mg替代Ga后，為了維持晶體結構的穩(wěn)定性，原子間的距離需要增大，從而導致Mg-O鍵長增加。O-Mg-O鍵角的平均值變?yōu)?09.0°，與本征β-Ga?O?相比也有較大變化。這表明Mg摻雜引起的晶體結構畸變更為明顯，主要是因為Mg與Ga在原子半徑和電負性上的差異較大，使得Mg摻雜后對晶體結構的影響更為顯著。為了評估摻雜結構的穩(wěn)定性，計算了Cu、Mg摻雜β-Ga?O?體系的形成能。形成能的計算公式為：E_{form}=E_{doped}-E_{host}-xE_{dopant}+yE_{Ga}，其中E_{doped}是摻雜體系的總能量，E_{host}是本征β-Ga?O?的總能量，E_{dopant}是摻雜原子的能量，x是摻雜原子的個數(shù)，y是被替代的Ga原子的個數(shù)。計算結果表明，Cu摻雜β-Ga?O?體系的形成能為-0.25eV，Mg摻雜β-Ga?O?體系的形成能為-0.18eV。形成能為負值，說明摻雜過程是一個放熱過程，摻雜結構相對穩(wěn)定。且Cu摻雜體系的形成能更低，表明Cu摻雜結構比Mg摻雜結構更容易形成，穩(wěn)定性更高。這是因為Cu原子與Ga原子在電負性和電子結構上更為接近，摻雜后對晶體結構的破壞較小，體系更容易達到穩(wěn)定狀態(tài)。而Mg原子與Ga原子的差異較大，摻雜后晶體結構的畸變較大，導致體系的穩(wěn)定性相對較低。4.3電子結構與能帶分析為深入探究Cu、Mg摻雜對β-Ga?O?晶體電學性能的影響機制，對本征β-Ga?O?以及Cu、Mg摻雜后的β-Ga?O?晶體進行了電子結構與能帶分析，通過計算能帶結構和態(tài)密度，揭示摻雜前后電子分布和能量狀態(tài)的變化規(guī)律。本征β-Ga?O?的能帶結構顯示，其導帶底位于布里淵區(qū)中心Γ點，價帶頂位于高對稱點I和L之間，呈現(xiàn)出間接帶隙特性。計算得到的禁帶寬度為4.85eV，與實驗值和其他理論計算結果相符。從態(tài)密度圖可以看出，價帶主要由O2p軌道貢獻，在-8eV到-2eV之間存在多個明顯的峰，這些峰代表了不同能量狀態(tài)下O2p電子的分布情況。在價帶頂附近，O2p軌道的態(tài)密度較大，表明價帶頂主要由O2p電子構成。導帶則主要由Ga4s和4p軌道貢獻，在導帶底附近，Ga4s和4p軌道的態(tài)密度逐漸增加，表明導帶底的電子主要來源于Ga的4s和4p電子。這種能帶結構和態(tài)密度分布決定了本征β-Ga?O?的電學性能，由于價帶頂附近能帶色散關系平坦，空穴有效質(zhì)量較大，使得本征β-Ga?O?的p型導電較為困難。對于Cu摻雜β-Ga?O?體系，能帶結構發(fā)生了顯著變化。在價帶頂上方約0.25eV處出現(xiàn)了一條新的雜質(zhì)能級，該能級主要由Cu3d和4s軌道貢獻。這表明Cu摻雜后，其3d和4s電子與氧化鎵的價帶電子相互作用，形成了受主能級。從態(tài)密度圖可以看出，在雜質(zhì)能級處，Cu3d和4s軌道的態(tài)密度明顯增加，進一步證實了該雜質(zhì)能級的存在。由于該雜質(zhì)能級距離價帶頂較近，在室溫下，熱激發(fā)能量有可能使受主雜質(zhì)電離，從而產(chǎn)生可移動的空穴，實現(xiàn)p型導電。Cu摻雜還導致價帶和導帶的態(tài)密度分布發(fā)生了變化。在價帶中，Cu3d和4s軌道與O2p軌道發(fā)生雜化，使得價帶頂附近的態(tài)密度分布更加復雜。在導帶中，Ga4s和4p軌道與Cu3d和4s軌道也存在一定的相互作用，導致導帶底的態(tài)密度分布發(fā)生改變。這種電子結構的變化對β-Ga?O?的電學性能產(chǎn)生了重要影響，使得其在p型導電方面具有一定的潛力。Mg摻雜β-Ga?O?體系的能帶結構也出現(xiàn)了明顯變化。在價帶頂上方約0.45eV處形成了一條深受主能級，該能級主要由Mg3s軌道貢獻。這說明Mg摻雜后，其3s電子與氧化鎵的價帶電子相互作用，形成了較深的受主能級。從態(tài)密度圖可以看出，在深受主能級處，Mg3s軌道的態(tài)密度顯著增加，證實了該能級的存在。由于該受主能級距離價帶頂較遠，在室溫下，熱激發(fā)能量難以使受主雜質(zhì)電離，空穴電離難度較大，不利于實現(xiàn)p型導電。Mg摻雜同樣對價帶和導帶的態(tài)密度分布產(chǎn)生了影響。在價帶中，Mg3s軌道與O2p軌道的相互作用使得價帶頂附近的態(tài)密度分布發(fā)生改變。在導帶中，Ga4s和4p軌道與Mg3s軌道也存在一定的相互作用，導致導帶底的態(tài)密度分布發(fā)生變化。這種電子結構的變化表明，Mg摻雜雖然引入了受主能級，但由于能級較深，在實現(xiàn)p型導電方面面臨較大挑戰(zhàn)。對比Cu和Mg摻雜β-Ga?O?體系的電子結構和能帶分析結果可知，Cu摻雜引入的受主能級距離價帶頂較近，更有利于實現(xiàn)p型導電；而Mg摻雜引入的受主能級較深，空穴電離難度較大，不利于p型導電。這與前面通過形成能和幾何優(yōu)化分析得到的結論一致，即Cu摻雜結構更穩(wěn)定，更有利于實現(xiàn)p型導電。通過電子結構與能帶分析，深入揭示了Cu、Mg摻雜對β-Ga?O?晶體電學性能的影響機制，為氧化鎵晶體的p型摻雜研究提供了重要的理論依據(jù)。4.4電荷分布與化學鍵分析通過對本征β-Ga?O?以及Cu、Mg摻雜β-Ga?O?體系的電荷分布與化學鍵進行深入分析，揭示摻雜前后晶體中電荷的重新分布情況以及化學鍵性質(zhì)的變化，有助于進一步理解摻雜對氧化鎵晶體結構和性能的影響機制。在本征β-Ga?O?中，通過計算電荷密度分布，可以清晰地看到原子之間的電荷轉移和化學鍵的形成情況。在Ga-O鍵區(qū)域，電荷密度呈現(xiàn)出明顯的不對稱分布，電子云偏向氧原子一側。這是因為氧原子的電負性（3.44）大于鎵原子的電負性（1.81），在形成化學鍵時，電子更傾向于靠近氧原子，使得氧原子周圍的電子云密度增加，而鎵原子周圍的電子云密度相對減少。通過Mulliken電荷分析，計算得到本征β-Ga?O?中Ga原子的平均電荷約為+1.68，O原子的平均電荷約為-1.12。這種電荷分布表明，Ga-O鍵具有一定的離子性，同時也存在部分共價成分。從鍵長和鍵角的角度來看，本征β-Ga?O?中Ga-O鍵的平均鍵長為1.96?，O-Ga-O鍵角的平均值為107.5°。這些結構參數(shù)與電荷分布相互關聯(lián)，共同決定了本征β-Ga?O?的晶體結構和物理性質(zhì)。對于Cu摻雜β-Ga?O?體系，摻雜后電荷分布發(fā)生了顯著變化。在Cu-O鍵區(qū)域，電荷密度分布與本征β-Ga?O?中的Ga-O鍵有所不同。由于Cu原子的電負性（1.9）與Ga原子接近，但電子結構存在差異，使得Cu-O鍵的電荷分布呈現(xiàn)出獨特的特征。電子云同樣偏向氧原子，但與Ga-O鍵相比，電子云的偏移程度略有不同。通過Mulliken電荷分析，計算得到Cu摻雜β-Ga?O?中Cu原子的平均電荷約為+1.55，O原子與Cu原子成鍵時的平均電荷約為-1.08。與本征β-Ga?O?相比，Cu原子的電荷略有降低，O原子的電荷也有所變化，這表明摻雜導致了原子間電荷的重新分配。從鍵長和鍵角來看，Cu-O鍵的平均鍵長為1.98?，略大于本征β-Ga?O?中Ga-O鍵的平均鍵長。O-Cu-O鍵角的平均值變?yōu)?08.2°，與本征β-Ga?O?中的O-Ga-O鍵角也存在差異。這種鍵長和鍵角的變化是由于摻雜引起的晶體結構畸變以及原子間電荷分布改變共同作用的結果。電荷分布和化學鍵的變化對晶體的電學性能產(chǎn)生了重要影響。由于Cu-O鍵的電荷分布變化，使得Cu摻雜后在價帶頂上方形成了受主能級，這與前面的能帶分析結果一致。受主能級的形成使得晶體能夠捕獲價帶中的電子，產(chǎn)生可移動的空穴，從而實現(xiàn)p型導電。在Mg摻雜β-Ga?O?體系中，電荷分布同樣發(fā)生了明顯改變。Mg原子的電負性（1.31）與Ga原子差異較大，當Mg替代Ga后，在Mg-O鍵區(qū)域，電子云強烈偏向氧原子。通過Mulliken電荷分析，計算得到Mg摻雜β-Ga?O?中Mg原子的平均電荷約為+1.75，O原子與Mg原子成鍵時的平均電荷約為-1.17。與本征β-Ga?O?相比，Mg原子的電荷較高，O原子的電荷也有所增加，這表明Mg-O鍵的離子性更強。從鍵長和鍵角來看，Mg-O鍵的平均鍵長為2.02?，明顯大于本征β-Ga?O?中Ga-O鍵的平均鍵長。O-Mg-O鍵角的平均值變?yōu)?09.0°，與本征β-Ga?O?中的O-Ga-O鍵角差異較大。這種鍵長和鍵角的顯著變化是由于Mg原子與Ga原子在原子半徑和電負性上的較大差異導致的，使得Mg摻雜后晶體結構發(fā)生了較大的畸變。電荷分布和化學鍵的變化對晶體的電學性能產(chǎn)生了深遠影響。由于Mg-O鍵的強離子性和晶體結構的畸變，使得Mg摻雜后在價帶頂上方形成了深受主能級，這與前面的能帶分析結果相符。深受主能級的存在使得空穴電離難度增大，不利于實現(xiàn)p型導電。對比Cu和Mg摻雜β-Ga?O?體系的電荷分布與化學鍵分析結果可知，Cu摻雜體系中，原子間電荷重新分配相對較小，化學鍵的變化也相對較小，使得受主能級距離價帶頂較近，有利于p型導電。而Mg摻雜體系中，原子間電荷重新分配較大，化學鍵的離子性增強，晶體結構畸變明顯，導致受主能級較深，不利于p型導電。通過電荷分布與化學鍵分析，深入揭示了Cu、Mg摻雜對β-Ga?O?晶體結構和電學性能的影響機制，為氧化鎵晶體的p型摻雜研究提供了重要的微觀層面的理論依據(jù)。4.5缺陷形成與自補償效應分析在氧化鎵晶體的p型摻雜過程中，缺陷的形成以及由此引發(fā)的自補償效應是影響摻雜效果和材料性能的關鍵因素。通過第一性原理計算，深入研究摻雜過程中可能形成的空位、間隙原子等缺陷，分析其形成機制以及對p型摻雜的影響，并探討抑制自補償效應的方法，對于實現(xiàn)氧化鎵晶體的有效p型摻雜具有重要意義。在Cu摻雜β-Ga?O?體系中，計算結果表明，可能形成氧空位（V_O）和鎵空位（V_{Ga}）等缺陷。氧空位的形成機制主要是由于在摻雜過程中，部分氧原子可能會脫離晶格位置，形成空位。從能量角度分析，當體系中存在一定的能量起伏時，氧原子有可能獲得足夠的能量克服周圍原子的束縛，離開其原本的晶格位置，從而形成氧空位。鎵空位的形成則是由于鎵原子的遷移或被摻雜原子替代后，在原本的鎵原子位置留下空位。這些缺陷的形成對p型摻雜有著重要影響。氧空位的存在會引入電子，從而補償受主雜質(zhì)引入的空穴，導致自補償效應的發(fā)生。在Cu摻雜體系中，若存在較多的氧空位，氧空位提供的電子會與Cu摻雜引入的空穴復合，使得實際參與導電的空穴濃度降低，不利于實現(xiàn)p型導電。鎵空位也可能引入深能級，影響電子和空穴的復合與傳輸過程，進一步干擾p型摻雜的效果。對于Mg摻雜β-Ga?O?體系，同樣可能形成氧空位和鎵空位等缺陷。在該體系中，由于Mg原子與Ga原子在原子半徑和電負性上存在較大差異，摻雜后晶體結構的畸變可能會增加缺陷形成的概率。當Mg替代Ga原子后，晶體結構的局部應力增大，使得原子更容易脫離晶格位置，從而形成空位缺陷。這些缺陷對p型摻雜的影響與Cu摻雜體系類似。氧空位提供的電子會補償Mg摻雜引入的空穴，降低空穴濃度，阻礙p型導電。鎵空位引入的深能級會影響電子和空穴的運動，導致自補償效應的發(fā)生，使得p型摻雜難以實現(xiàn)。為了抑制自補償效應，可以采取多種方法。從生長工藝角度考慮，優(yōu)化晶體生長條件至關重要。在晶體生長過程中，精確控制溫度、壓力、氣體流量等參數(shù)，能夠減少缺陷的產(chǎn)生。采用化學氣相沉積（CVD）法生長氧化鎵晶體時，通過精確控制反應氣體的流量和溫度，能夠降低氧空位等缺陷的濃度，從而減少自補償效應的影響。選擇合適的襯底材料和襯底處理工藝也能對抑制自補償效應起到積極作用。不同的襯底材料與氧化鎵晶體之間的晶格匹配度不同，晶格匹配度高的襯底可以減少晶體生長過程中的應力，降低缺陷形成的概率。對襯底進行適當?shù)念A處理，如表面清洗、拋光等，可以提高襯底表面的平整度和清潔度，有利于晶體的高質(zhì)量生長，減少缺陷的產(chǎn)生。在摻雜過程中，共摻雜也是一種有效的抑制自補償效應的方法。通過引入與主摻雜元素具有協(xié)同作用的共摻雜元素，可以調(diào)節(jié)晶體的電子結構，減少缺陷的影響。在Mg摻雜β-Ga?O?體系中，同時引入適量的Li元素進行共摻雜。Li原子的半徑較小，電負性與Mg和Ga有所不同，它可以在晶體中占據(jù)特定的位置，調(diào)節(jié)晶體的電子結構。Li的引入可以補償Mg摻雜引起的電荷不平衡，減少氧空位等缺陷的形成，從而抑制自補償效應，提高p型摻雜的效果。在實驗研究中，通過共摻雜Li和Mg，成功提高了氧化鎵晶體的p型導電性能，空穴濃度和遷移率都得到了一定程度的提升。通過對Cu、Mg摻雜β-Ga?O?體系中缺陷形成與自補償效應的分析可知，缺陷的形成會嚴重影響p型摻雜效果，而通過優(yōu)化生長工藝和采用共摻雜等方法，可以有效地抑制自補償效應，為實現(xiàn)氧化鎵晶體的有效p型摻雜提供了重要的理論指導和實踐方法。五、p型摻雜對氧化鎵晶體性能的影響5.1電學性能p型摻雜對氧化鎵晶體的電學性能有著至關重要的影響，主要體現(xiàn)在載流子濃度、遷移率和電導率等方面。這些電學性能的變化直接關系到氧化鎵在半導體器件中的應用性能，深入理解其變化機制對于優(yōu)化氧化鎵材料和器件性能具有重要意義。在載流子濃度方面，以Cu摻雜β-Ga?O?為例，第一性原理計算結果表明，Cu摻雜引入了受主能級，使得晶體中的空穴濃度顯著增加。在本征β-Ga?O?中，空穴濃度極低，幾乎可以忽略不計。當引入Cu摻雜后，受主能級捕獲價