宽禁带半导体与接触材料间相平衡的计算洞察

下一代电力电子器件需要新型宽禁带半导体，但在有前景的材料与功能性器件之间仍存在差距。寻找稳定的接触是主要挑战之一，目前主要通过试错法来解决。在此，我们计算研究了三种宽禁带半导体（$\beta$-Ga$_{2}$O$_{3}$、GeO$_2$ 和 GaN）与可能接触材料之间结点处的热化学和相共存。候选接触材料池包括 47 种元素金属和 4 种常见的 $n$ 型透明导电氧化物（ZnO、TiO$_2$、SnO$_2$ 和 In$_2$O$_3$）。我们使用第一性原理热力学，将化学反应的吉布斯自由能建模为气体压力（p$_{\mathrm{O}_2}$/p$_{\mathrm{N}_2}$）和平衡温度的函数。我们推断半导体/接触界面在相关条件下是否稳定，这可能影响器件的长期可靠性和性能。我们总体上发现，大多数元素金属倾向于氧化或氮化，并形成各种界面氧化物/氮化物层。例外包括部分晚期和后过渡金属，对于 GaN 还包括碱金属，预计它们表现出稳定的共存，尽管在许多情况下气体分压相对较低。透明导电氧化物的情况类似，在大多数情况下，我们预测当其与 $\beta$-Ga$_{2}$O$_{3}$ 和 GeO$_2$ 接触时倾向于形成三元氧化物。唯一的例外是 SnO$_2$，它可以与两种氧化物形成稳定接触。最后，我们展示了如何使用相同方法预测气体分压与温度的相图，以帮助指导三元化合物的合成。我们相信这些结果为选择宽禁带半导体的接触材料和合适的生长条件提供了有价值的指导。