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一、作者与发表信息
本研究由Chongyong Yan、Jie Su*（通讯作者）、Yifei Wang、Zhenhua Lin、Jincheng Zhang、Jingjing Chang**（通讯作者）、Yue Hao合作完成，作者单位均为中国西安电子科技大学宽禁带半导体技术国家重点学科实验室/陕西省石墨烯联合重点实验室/柔性电子前沿交叉研究中心。论文发表于期刊《Journal of Alloys and Compounds》第854卷（2021年），文章编号157247，在线发表于2020年9月17日。

二、学术背景
本研究聚焦于超宽禁带半导体β-Ga₂O₃的p型掺杂难题。β-Ga₂O₃因其高击穿电场、优异的紫外透过率和Baliga优值（Baliga’s figure of merit）在功率电子和紫外光电器件中具有潜力，但其p型导电性能的实现长期受限于以下科学问题：
1. 价带顶（VBM）能级过深：因氧（O）的高电负性，β-Ga₂O₃的VBM主要由局域化的O-2p轨道主导，导致传统受主掺杂能级较深（>1.3 eV）。
2. 自陷空穴与低空穴迁移率：VBM的强局域性易形成空穴极化子，降低空穴迁移率。
3. 氧空位（O-vacancy）补偿效应：本征氧空位作为施主缺陷会抵消受主掺杂效果。
研究目标是通过（贫电子金属，N）共掺杂策略降低受主能级深度，抑制氧空位形成，最终实现浅受主能级的p型β-Ga₂O₃。

三、研究流程与方法
1. 理论模型构建
- 采用120原子超胞模型，基于密度泛函理论（DFT）计算，结合投影缀加波（PAW）方法和VASP软件包。
- 泛函选择：结构优化采用广义梯度近似（GGA-PBE）；能带与缺陷能级计算采用杂化泛函（HSE06），混合参数设为32%。
- 计算参数：截断能450 eV，k点网格5×19×11（原胞），力收敛标准0.01 eV/Å。

1. 掺杂体系设计

   • 对比单一N掺杂与（Mg/Ca/Cs/Cu/Zn/Ag/Au, N）共掺杂体系。
     
   • 分析掺杂形成能（Equation 1）、受主电离能（Equation 2）及氧空位形成能。
     

2. 电子结构分析

   • 通过态密度（DOS）和晶体轨道哈密顿布居（COHP）解析Ga-O键与掺杂剂-O键的轨道相互作用。
     
   • 计算有效空穴质量与光学吸收谱，验证能级变化。
     

3. 创新方法

   • 提出“受主-受主排斥效应”机制：共掺杂通过上移Ga-O成键轨道、下移掺杂剂-O反键轨道及N/O的未占据p轨道，显著降低受主能级。
     
   • 开发缺陷浓度预测模型：基于玻尔兹曼统计的缺陷浓度公式（c = n∙g∙exp(-E_form/k_BT)）。
     

四、主要结果
1. 受主能级调控
- 单一N掺杂的受主能级为1.73 eV，而（Mg, N）和（Zn, N）共掺杂体系分别降至0.16 eV和0.01 eV，达到浅受主水平（图1b）。
- 机制：共掺杂削弱Ga-O键强度（键长增加，COHP值降低），导致VBM局域性减弱（图2f）。

1. 氧空位抑制

   • p轨道金属（如Mg）共掺杂使氧空位形成能从-2.18 eV（纯β-Ga₂O₃）升至正值，有效抑制补偿效应（图3b）。
     

2. 空穴传输改善

   • 共掺杂体系的有效空穴质量从纯β-Ga₂O₃的~4.45 m₀显著降低（图3a），光学吸收边蓝移证实能隙展宽（图1c-d）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统性证明（贫电子金属，N）共掺杂是实现p型β-Ga₂O₃的有效路径，提出“轨道协同调控”新机制。
- 建立掺杂剂选择原则：优先选用p轨道金属（如Mg）以兼顾浅受主能级与氧空位抑制。

1. 应用前景
   
   • 为β-Ga₂O₃基功率器件（如MOSFET）和紫外探测器提供p-n结设计理论支撑。
     
   • 共掺杂策略可推广至其他宽禁带氧化物半导体的p型掺杂研究。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：将共掺杂策略从ZnO体系拓展至β-Ga₂O₃，并揭示其特异性轨道相互作用机制。
2. 发现突破：（Zn, N）共掺杂受主能级仅0.01 eV，为迄今报道的最低值。
3. 跨学科意义：结合缺陷化学、能带工程与第一性原理计算，为宽禁带半导体掺杂提供普适性研究框架。

（注：全文严格遵循术语规范，如首次出现“Baliga优值”时标注英文，专业名词如“COHP”保留原缩写。）