Polarization engineering of two-dimensional electron gas at ε-(AlxGa1–x)2O3/ε-Ga2O3 heterostructure

异质结 极化(电化学) 铁电性 压电 费米气体 材料科学 凝聚态物理 电场 电子 宽禁带半导体 光电子学 化学 物理 电介质 物理化学 量子力学 复合材料
作者
Yan Wang,Jiahe Cao,Hanzhao Song,Chuang Zhang,Zhigao Xie,Yew Hoong Wong,Chee‐Keong Tan
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (14) 被引量:9
标识
DOI:10.1063/5.0172161
摘要

In this study, we present an investigation of the spontaneous and piezoelectric polarization in the ε-(AlxGa1–x)2O3/ε-Ga2O3 heterostructures using density functional theory calculations. The spontaneous polarization (Psp) was found to increase from 23.93 to 26.34 μC/cm2 when Al-content increase from 0% to 50%. With Al-content increasing, the strain-induced piezoelectric polarization (Ppe) increases, which negates the Psp, causing the total polarization (Ptot) of the epitaxy layer in the AlGaO/GaO heterostructure to remain almost constant across all Al compositions. Additionally, due to the ferroelectric nature of ε-Ga2O3, a high-density polarization-induced two-dimensional electron gas (2DEG) can be formed at the interface of polarization reversed ε-(AlxGa1–x)2O3/ε-Ga2O3 when an electric field is applied. Using the 1D Schrödinger–Poisson model, the 2DEG of polarization reversed ε-(Al0.125Ga0.875)2O3/ε-Ga2O3 was found to be 2.05 × 1014 cm−2, which is nearly ten times larger than that of GaN-based structures. Our work indicates that ε-(AlxGa1–x)2O3/ε-Ga2O3 heterostructure could play a key role attributed to the large polarization and capability in modulating the polarization for high-power electronic and radio frequency device applications.
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