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。

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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)