西安科技大学栾苏珍团队研究成果：Ge-非金属共掺杂β-Ga₂O₃的电子和光学性能影响研究
引言
文章以第三代宽禁带半导体材料β-Ga₂O₃为研究对象，该材料凭借高击穿电压、高电子漂移饱和速率、高紫外透射率、良好的物理稳定性和低成本制造等优势，在光电器件领域具备极高应用潜力。当前碳、硅、锗已被证实为β-Ga₂O₃的有效掺杂元素，但锗分别与磷、硫、氯、氮共掺杂对材料性能的影响机制仍缺乏深入研究。本研究采用第一性原理方法，系统探究四类Ge-非金属共掺杂对β-Ga₂O₃稳定性、电子特性及光学性能的调控规律，为其紫外探测器、红外器件的掺杂设计提供理论支撑。文章基于西安科技大学栾苏珍团队研究成果及国家自然科学基金面上项目资助。
在大规模宽禁带半导体领域，β-Ga₂O₃是氧化镓五个重要相（α、β、δ、γ、ε）中综合性能最突出的分支，成为光电领域的研究热点。与氧原子半径相近的磷、硫、氯、氮元素，凭借价电子结构相似的特性，能够在保障结构稳定的前提下有效调控β-Ga₂O₃的能带结构和光电性能，是理想的掺杂候选元素。过往研究多聚焦于单元素掺杂的性能探究，鲜有针对Ge与上述四类非金属元素共掺杂的系统性分析，无法充分满足定向调控β-Ga₂O₃导电类型、带隙及光学响应的实际研发需求。 （1）明确了共掺杂最优位点选择规律 证实Ge优先取代Ga(1)位点，四类非金属元素均倾向占据O(3)位点，且晶格畸变呈现显著各向异性，b轴变化幅度不足0.5%，a、c轴为主要畸变方向，同时明确离子半径是调控晶格体积的主导因素，电负性差异可通过调节键合强度部分抵消尺寸效应。 （2）实现导电类型定向调控 通过不同共掺杂组合分别得到三类N型导电体系（Ge-P、Ge-S、Ge-Cl）和一类P型导电体系（Ge-N），其中Ge-S体系完全金属化，Ge-P体系带隙仅0.0108 eV，Ge-Cl体系带隙0.0920 eV，Ge-N体系带隙达1.7330 eV，金属化程度呈现Ge-S>Ge-P>Ge-Cl的规律。 （3）提出光学性能的元素特异性调控机制 静态介电常数随掺杂原子电负性增大而递减；Ge-P在紫外区吸收最强，Ge-S在红外区吸收占优、可见光区反射系数最低，Ge-N全波长反射系数最稳定；损失函数低能区峰值Ge-P最高，中高能区Ge-N峰值最大，为定制化光电器件设计提供了差异化的理论依据。 图2 共掺杂β-Ga₂O₃结构模型：(a)Ge-P共掺杂；(b)Ge-S共掺杂；(c)Ge-Cl共掺杂；(d)Ge-N共掺杂 Fig.2 Co-doped β-Ga₂O₃ structural models：(a)Ge-P co-doping；(b)Ge-S co-doping；(c)Ge-Cl co-doping；(d)Ge-N co-doping 图3 P(O3)、S(O3)、Cl(O3)、N(O3)掺杂β-Ga2O3体系晶格参数、体积和电负性差异变化：(a)晶格参数的各向异性畸变特征；(b)体积变化率和电负性差异 Fig.3 Lattice parameters, volume, and electronegativity difference variations in P(O3), S(O3), Cl(O3) and N(O3) doped β-Ga2O3 systems：(a) anisotropic distortion characteristics of the lattice parameters；(b) volume change rate and electronegativity difference一、研究背景
二、创新亮点
三、图文展示
图 4 共掺杂体系的能带结构：(a)Ge-P共掺杂；(b)Ge-S共掺杂；(c)Ge-Cl共掺杂；(d)Ge-N共掺杂
Fig.4 Band structures of the co-doped systems：(a)Ge-P co-doped；(b)Ge-S co-doped；(c)Ge-Cl co-doped；(d)Ge-N co-doped
图 5 不同共掺杂体系的总波态密度：(a)Ge-P共掺杂；(b)Ge-S共掺杂；(c)Ge-Cl共掺杂；(d)Ge-N共掺杂
Fig.5 Total density of states for co-doping systems：(a)Ge-P co-doping；(b)Ge-S co-doping；(c)Ge-Cl co-doping；(d)Ge-N co-doping
图10 Ge-P、Ge-S、Ge-Cl、Ge-N共掺杂体系的损失函数
Fig.10 Loss functions of the Ge-P, Ge-S, Ge-Cl and Ge-N co-doped systems
本研究通过第一性原理计算系统完成四类Ge-非金属共掺杂β-Ga₂O₃的性能分析，证实所有共掺杂体系均具备优异的热力学稳定性。晶格畸变由离子半径与电负性协同调控，呈现明显各向异性特征。通过共掺杂可定向实现N型、P型导电特性与带隙范围的精准调控，不同掺杂体系在紫外吸收、红外响应、介电损耗等光学特性上表现出明确的元素特异性，为高性能β-Ga₂O₃日盲紫外探测器、中红外光学器件的掺杂方案设计提供了扎实的理论支撑。 ▼ 文章发表于《功能材料》2026年第57卷第7期， 欢迎引用本文： 刘飞,栾苏珍.Ge-非金属共掺杂β-Ga₂O₃的电子和光学性能影响研究[J].功能材料,2026,57(7):212-224.LIU F, LUAN S Z.Study on the effects of Ge and non-metal co-doping on the electronic and optical properties of β-Ga₂O₃[J].Journal of functional materials,2026,57(7):212-224. 欢迎投稿、荐稿！ 《功能材料》 官网：http://www.gncl.cn/ 功能材料科技创新服务平台 公众号：https://mp.weixin.qq.com/s/kY1sREAjhe6JIPcqvqrNUA四、结论
五、引用本文
