β-Ga$_2$O$_3$ 最优异质结构的计算设计

Ga$_2$O$_3$ 是一种在多种器件中备受关注的宽禁带材料，其中许多器件需要异质结构，例如以实现载流子限制。构建此类异质结构的常用方法是与 In$_2$O$_3$ 或 Al$_2$O$_3$ 形成合金。然而，这些材料的晶格常数与 Ga$_2$O$_3$ 差异显著，导致所得异质结构中产生大量应变。若增加异质结构厚度，可能引发开裂。通过考虑 In$_2$O$_3$ 与 Al$_2$O$_3$ 的合金，可使晶格常数适配 Ga$_2$O$_3$，同时保持可观的导带偏移。我们使用带杂化泛函的密度泛函理论研究了铟铝氧化物合金在 bixbyite、刚玉和单斜结构中的结构与电子性质。我们发现晶格常数随 In 掺入而增加。禁带宽度随 In 浓度增加呈非线性减小。我们发现 (In$_{\rm 0.25}$Al$_{\rm 0.75}$)$_{\rm 2}$O$_{\rm 3}$ 单斜结构尤为值得关注，因其晶格常数与 Ga$_2$O$_3$ 紧密匹配，同时相比 Ga$_2$O$_3$ 提供 5.94/5.70 eV 的间接/直接禁带宽度以及 1 eV 的导带偏移。