通过计算识别用于高功率电子学的三元宽带隙氧化物

随着电网日益符合可再生能源要求，将需要能够承受高功率、高电压与高温的新型半导体。宽带隙（WBG）半导体往往表现出大的击穿场，从而允许高工作电压。当前用于功率电子学已探索的 WBG 材料成本高（GaN）、难以合成为高质量单晶（SiC）且难以规模化（金刚石、BN）、热导率低（$\beta$-Ga$_2$O$_3$），或无法适当掺杂（AlN）。我们利用第一性原理计算与现有输运模型，在 1,340 种已知金属氧化物中进行了新型半导体的计算搜索。我们计算 Baliga 优值（BFOM）与晶格热导率（$\kappa_L$）以识别 n 型功率电子学的顶级候选材料。我们发现了 40 种主要为三元氧化物，其 $\kappa_L$ 高于 $\beta$-Ga$_2$O$_3$，且 n 型 BFOM 高于 SiC 与 GaN。其中出现了若干材料类别，包括 2-2-7 化学计量比的钪钽矿与烧绿石、II-IV 尖晶石以及方解石型硼酸盐。在这些类别中，我们提议 In$_2$Ge$_2$O$_7$、Mg$_2$GeO$_4$ 与 InBO$_3$，因为基于我们的初步评估它们最利于 n 型掺杂，并可生长为单晶或薄膜异质结构。这些材料可助力推动面向未来电网的功率电子器件发展。