科技界明日之星:第四代半導體(氧化鎵),利用VASP研究電子結構及參雜穩定性

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發佈日期 2021-06-29


科技界明日之星:第四代半導體(氧化鎵),利用VASP研究電子結構及參雜穩定性

人類對於輕薄短小的科技產品有無止盡的追求,近年以氮化鎵、碳化矽為首的第三代半導體,吸引了無數人的目光。而當今,許多具有寬能隙(Wide Band Gap)的材料,被稱作第四代半導體,也悄悄開始嶄露頭角,使用能隙更寬的材料可以做出更薄、更輕、功率更高的功率元件,因此第四代半導體被寄予厚望,潛力無窮。

 

這些材料有鑽石、各種寬能隙的氧化物、銻化物、各種二維材料等等。其中,β-氧化鎵(β-Ga2O3),由於材料生產方式更有優勢,因此極度受到注目。雖然利用鑽石來當半導體材料早已被人提出過,然而受限於價格一直無法實現,由於β-氧化鎵可以使用熔融長晶方式生產,相較於鑽石、氮化鎵、碳化矽等等化合物,更適合用來大量生產製造,其能隙也相當大(4.5 - 4.9eV),具有更大的崩潰電壓,因此相較於第三代半導體也擁有更低的傳導損耗(Conduction Loss)。今年六月,日本新創公司 Novel Crystal Technology,宣布成功量產四吋氧化鎵晶圓。可以說,第四代半導體走入你我生活的日子已經不遠了。

 

準確的半導體性質預測取決於對電子結構精準的計算,圖一為哈特文.皮勒斯(Hartwin Peelaers)等人利用VASP的HSE06泛函計算β-氧化鎵的能隙大小(4.84 eV),與實驗值相當接近。另外,圖二為約翰‧里昂斯(John L Lyons)針對受體參雜原子(acceptor dopants)進行分析,討論了氮原子、第二族以及第十二族元素的參雜情形後發現:這些參雜物中,鎂最為穩定,鈹次之。運用VASP第一原理計算軟體,可對材料的性質進行深入剖析,在第四代半導體研究的路上,決不會缺席。

 

若有任何問題,請洽:cae-md@cadmen.com

 

圖一:氧化鎵之能帶圖(資料來源“Brillouin zone and band structure of β-Ga2O3”, DOI 10.1002/pssb.201451551)

圖二:各種參雜元素下的生成能。橫軸為氧之化學位(資料來源:” survey of acceptor dopants for β-Ga2O3”, doi.org/10.1088/1361-6641/aaba98)

 

 

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