Band Gap and Band Offset of Ga2O3 and (AlxGa…

单斜晶系 材料科学 带偏移量 带隙 刚玉 结晶学 八面体 凝聚态物理 物理 晶体结构 光电子学 化学 价带 冶金
作者
Tianshi Wang,Wei Li,Chaoying Ni,Anderson Janotti
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:10 (1) 被引量:112
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.10.011003
摘要

Ga$_2$O$_3$ and (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ alloys are promising materials for solar-blind UV photodetectors and high-power transistors. Basic key parameters in the device design, such as band gap variation with alloy composition and band offset between Ga$_2$O$_3$ and (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$, are yet to be established. Using density functional theory with the HSE hybrid functional, we compute formation enthalpies, band gaps, and band edge positions of (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ alloys in the monoclinic ($\beta$) and corundum ($\alpha$) phases. We find the formation enthlapies of (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ alloys are significantly lower than of (In$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$, and that (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ with $x$=0.5 can be considered as an ordered compound AlGaO$_3$ in the monoclinic phase, with Al occupying the octahedral sites and Ga occupying the tetrahedral sites. The direct band gaps of the alloys range from 4.69 to 7.03 eV for $\beta$-(Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ and from 5.26 to 8.56 eV for $\alpha$-(Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$. Most of the band offset of the (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$ alloy arises from the discontinuity in the conduction band. Our results are used to explain the available experimental data, and consequences for designing modulation-doped field effect transistors (MODFETs) based on (Al$_x$Ga$_{1-x}$)$_2$O$_3$/Ga$_2$O$_3$ are discussed.
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