这篇由山东大学前沿交叉研究院光热辐射研究中心的段新磊、张骁宁、Safdar Iqbal、刘林华与杨嘉跃（通讯作者）合作完成，题为《polarity-dependent band alignment and two-dimensional electron gas localization in β-ga₂o₃/aln heterostructures》的研究论文，发表在《Journal of Alloys and Compounds》期刊2025年第1039卷上。该工作是一项计算材料学领域的原创性理论研究，旨在探究超宽禁带半导体β-Ga₂O₃与氮化铝（AlN）异质结的界面电子结构、能带对准及其在二维电子气（2DEG）形成中的极化调控机制。
随着电动汽车、智能电网和高铁等新兴技术对高功率密度、高耐压与高可靠性需求的激增，半导体材料的研究已超越硅基材料，向宽禁带乃至超宽禁带半导体迈进。在众多候选材料中，β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带（4.6-4.9 eV）、极高的理论击穿电场（6-8 MV/cm）以及可通过熔体法获得高质量单晶衬底等优势，被视为下一代高功率电子器件的潜力材料。然而，其较低的电子迁移率和极差的热导率严重制约了器件性能与散热。通过与介电层或半导体层形成异质结，是克服β-Ga₂O₃本征局限、发挥其优势的有效策略。
其中，栅介质层与β-Ga₂O₃形成的异质结对于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的阈值电压、开态电流、漏电流及可靠性至关重要。理想的栅介质需要同时具备大的能带偏移以抑制栅漏电，以及高的热导率以促进散热。传统的SiO₂和Al₂O₃虽然被广泛研究，但其热导率较低。相比之下，同为宽禁带材料的AlN不仅具备竞争性的能带偏移，其热导率（~320 W·m⁻¹·K⁻¹）远超SiO₂和Al₂O₃，是极具潜力的替代介质层。
然而，β-Ga₂O₃/AlN界面的能带对准（band alignment）在现有实验中存在争议，有报道称其为I型或II型，且强烈依赖于生长方法与界面条件。更重要的是，纤锌矿结构的AlN具有强大的自发极化和压电极化，为通过极化工程在界面诱导形成无需外部掺杂的二维电子气（2DEG）提供了可能，这一潜力尚未被充分探索。本研究正是在此背景下，旨在构建一个统一的理论预测框架，系统地研究β-Ga₂O₃/AlN异质结的原子结构、能带偏移、极化依赖的能带弯曲，以及2DEG的形成机理，为设计高性能β-Ga₂O₃场效应晶体管（FET）提供原子尺度的理论指导。
本研究主要基于第一性原理计算，流程可分为异质结原子模型构建与稳定性筛选、电子结构与能带偏移计算、局域态密度分析与极化诱导2DEG机理探究三个核心部分。
1. 异质结原子模型构建与热力学稳定性筛选 首先，研究者根据商业化β-Ga₂O₃衬底的主要晶面取向（-201）、（100）和（001），将纤锌矿AlN的（0001）（Al极性面）和（0001‾）（N极性面）与这些β-Ga₂O₃表面进行匹配。他们考虑了不同原子终端（如β-Ga₂O₃的Ga终端、O终端、混合Ga&O终端）与AlN的Al或N终端之间的组合，通过扩展超胞匹配和代数平均微调界面晶格，共系统构建了14种异质结构构型。其中（010）面因晶格不匹配被排除。
为了从这些构型中筛选出热力学稳定的界面，研究者计算了每个异质结的界面形成能（E_form）和结合能（E_binding）。界面形成能衡量了异质结相对于独立构成材料薄层的能量稳定性（负值为放热稳定过程），而结合能则直接量化了界面化学键的强度（负值表示成键）。计算结果显示，在所有构型中，O-Al界面和Ga-N界面表现出负的形成能和结合能，表明它们是热力学稳定且形成化学键的界面。其中，O-Al界面形成的是Al极性（Al-polar）β-Ga₂O₃/AlN异质结，而Ga-N界面形成的是N极性（N-polar）异质结。相比之下，Ga-Al界面和Ga&O混合终端界面则显示出正的能量值，表明其结构不稳定。通过此筛选，最终确定了六种稳定的异质结模型（三种晶面取向分别对应Al极性和N极性）用于后续深入研究。
为确认界面电荷转移和成键特性，研究者进一步计算了平面平均电荷密度差。结果显示，在Al极性（O-Al）界面，电子从AlN侧的Al原子转移到β-Ga₂O₃侧的O原子；而在N极性（Ga-N）界面，电子转移方向相反，从β-Ga₂O₃侧的Ga原子转移到AlN侧的N原子。这种显著的电荷再分布和电子局域函数（ELF）分析共同证实了界面处形成了稳定的化学键（共价/离子混合键），而非简单的范德华作用。
2. 电子结构与能带偏移精确计算 在电子结构计算部分，研究者首先强调了交换关联泛函对能带隙预测准确性的关键影响。他们比较了PBEsol、HSE06和HSE03泛函，发现HSE03泛函的计算结果与AlN（~6.2 eV）和β-Ga₂O₃（4.79–5.04 eV）的实验带隙值吻合最好，因此后续所有电子结构计算均采用HSE03泛函。
为了精确确定异质结的能带偏移（特别是价带偏移VBO和导带偏移CBO），他们采用了两种互补且经过验证的方法：静电势对齐法（EPA）和芯能级对齐法（CLA）。这两种方法都基于超胞计算，能够捕获界面效应和能带弯曲。 * 静电势对齐法（EPA）：该方法计算异质结超胞中垂直于界面方向（z轴）的平面平均静电势V(z)，并通过卷积得到宏观平均静电势V̄(z)。在远离界面的“类体材料”区域，V̄(z)趋于常数。通过比较β-Ga₂O₃和AlN区域内部的V̄(z)差值，并结合各自体材料的价带顶（VBM）位置，可以计算出价带偏移。为消除周期性边界条件引入的人为偶极场影响，研究中应用了偶极校正。 * 芯能级对齐法（CLA）：该方法选取异质结超胞中β-Ga₂O₃和AlN区域内部原子的芯能级（如Ga 1s, O 1s, Al 1s, N 1s等）作为能量参考。通过计算这些芯能级在异质结中的能量差，并结合各自体材料中芯能级到VBM的能量差，同样可以计算出价带偏移。为减少误差，采用了基于原子出现频率的加权平均。
两种方法在HSE03泛函下得到了一致的结果（VBO差异<0.02 eV，CBO差异<0.04 eV），证明了计算的可靠性。导带偏移则由公式CBO = Eg(β-Ga₂O₃) - Eg(AlN) - VBO得出。
3. 局域态密度分析与2DEG形成机理探究 为了可视化局域能带结构以及界面和表面态的短程效应，研究者计算了平面平均局域态密度（plane-averaged local density of states, LDOS）。LDOS将态密度与空间位置关联，能够清晰地展示能带在垂直于界面方向上的空间分布和弯曲情况。
基于LDOS和能带偏移结果，研究者进一步构建了高电子迁移率晶体管（HEMT）器件模型，深入分析了极化诱导2DEG的形成机制。他们考虑了AlN的自发极化（P_sp）以及由晶格失配产生的压电极化（P_pz）。由于β-Ga₂O₃/AlN的晶格失配较小，自发极化占主导。极化电荷在界面处产生内置电场，是驱动电子转移形成2DEG的内在动力。研究者通过静电分析，将表面态（surface states）的性质（施主型或受主型）与极化方向耦合，建立了定性模型来解释Al极性和N极性异质结中2DEG形成的差异。
1. 能带对准与偏移的统一图景 计算结果表明，所有六种稳定的β-Ga₂O₃/AlN异质结均表现为II型能带对准。具体而言，AlN的导带底（CBM）和价带顶（VBM）在能量上均高于β-Ga₂O₃的对应带边。这意味着电子和空穴在空间上倾向于分离，电子倾向于局域在β-Ga₂O₃一侧，而空穴在AlN一侧，这对于载流子限制和某些光电器件应用具有重要意义。
精确的能带偏移数值为：价带偏移（VBO）约为-0.64 ± 0.5 eV，导带偏移（CBO）约为-1.84 ± 0.3 eV。其中，β-Ga₂O₃（100）面异质结的偏移值最大。这一结果与部分实验测量（如Sun等人通过PLD生长的样品测得CBO ~ -1.75 eV）以及之前的理论计算吻合良好，澄清了文献中能带对准类型的争议，并提供了一个统一的理论值。关键的是，所有界面的导带偏移绝对值（|CBO|）均大于1.50 eV，这满足了高性能栅介质对抑制热离子发射和隧穿泄漏电流的关键要求，为AlN作为β-Ga₂O₃器件的可靠栅介质提供了理论基石。
2. 极化依赖的表面态与能带弯曲 LDOS分析揭示了由表面态诱导的、与极性相关的显著能带弯曲现象。对于独立的β-Ga₂O₃薄层，Ga终端表面引起能带向下弯曲，而O终端表面引起能带向上弯曲。当与AlN形成异质结后，这种弯曲被进一步调制和利用。 * 在N极性（Ga-N界面）β-Ga₂O₃/Aln异质结中，界面处出现显著的向下能带弯曲，在费米能级附近形成了量子限制的电子态。这直接预示着在界面处有形成高密度二维电子气（2DEG）的潜力。其物理机制在于：N极性AlN的极化方向在界面处产生正极化电荷，与β-Ga₂O₃侧Ga终端表面的施主型表面态协同作用，促使电子从表面态转移到界面处的势阱中，从而自发形成2DEG，无需外部掺杂。 * 在Al极性（O-Al界面）β-Ga₂O₃/Aln异质结中，情况相反。Al极性AlN在界面处产生负极化电荷，与β-Ga₂O₃侧O终端表面的受主型表面态相互作用，导致电子从界面区域转移走，从而耗尽2DEG。在这种构型下，要实现2DEG和导电沟道，需要借助外部的δ-调制掺杂技术，例如在异质结中插入一层高浓度掺杂层。
3. 异质结稳定性与电荷转移的微观图像 界面形成能与结合能计算以及电荷密度差分析，共同从能量和电子结构层面证实了O-Al和Ga-N界面的稳定性。ELF图像直观显示了界面处高电子局域区域，对应于新形成的化学键。平面平均静电势图在界面处显示的势能波动和极小值，也与电荷积累区域相对应，进一步支持了共价键形成的结论。这些微观细节为理解界面稳定性、载流子输运和散射机制提供了基础。
本研究通过系统的第一性原理计算，为β-Ga₂O₃/Aln异质结体系建立了一个全面的理论框架。主要结论是：1）无论Al极性还是N极性，β-Ga₂O₃/Aln异质结均呈现II型能带对准，并具有足够大的导带偏移（>1.5 eV），满足高性能栅介质的应用需求；2）异质结的界面电子结构强烈依赖于AlN的极化方向，这通过表面态介导的能带弯曲来实现；3）N极性异质结可通过极化效应自发形成2DEG，为设计新型高性能、低杂质散射的β-Ga₂O₃基HEMT提供了一条有前景的技术路径；而Al极性异质结则需要结合δ-掺杂技术来构建导电沟道。
本研究的科学价值在于，首次在原子尺度上清晰揭示了极化、表面态和能带结构在β-Ga₂O₃/Aln异质结中的耦合机制，将原本在III族氮化物（如GaN/AlGaN）中成熟的极化工程概念成功引入到β-Ga₂O₃这一新兴超宽禁带半导体体系中，拓展了其器件物理的内涵。其应用价值在于为实验学家提供了明确的设计指南：若目标是利用AlN的高热导率作为栅介质，应关注如何获得高质量的Al极性界面以最大化能带偏移和抑制漏电；若目标是开发新一代HEMT，则应致力于探索和生长N极性β-Ga₂O₃/Aln异质结，以实现无需掺杂的高迁移率2DEG沟道。
论文在计算细节上非常完备，例如详细讨论了晶格失配的计算、偶极校正的应用、不同芯能级参考对结果的影响等，这些内容为其他计算研究者复现或借鉴该方法提供了便利。此外，研究者在补充材料中提供了丰富的结构图、静电势图和LDOS图，进一步支撑了正文的结论。论文最后也将β-Ga₂O₃/Aln的能带偏移与已广泛研究的SiO₂/β-Ga₂O₃和Al₂O₃/β-Ga₂O₃体系进行了对比，突出了Aln在热导率方面的巨大优势，强化了其应用价值主张。