深紫外透明导电Si掺杂氧化镓异质外延薄膜

近年来，氧化镓（Ga₂O₃）半导体受到世界各国科研和产业界的普遍关注。氧化镓具有4.9 eV的超宽禁带，高于第三代半导体碳化硅（SiC）的3.2 eV和氮化镓（GaN）的3.39 eV。更宽的禁带宽度意味着电子从价带跃迁到导带需要更多的能量，因此氧化镓具有耐高压（极强的临界场强）、高效率（更低导通电阻）、大功率、抗辐照等特性。基于氧化镓的功率电子器件在新能源汽车、轨道交通等领域具有潜在应用，且氧化镓的光电探测器在导弹预警、高压电网电晕检测等领域展现出重要的潜力，如下图1。

图1. 超宽禁带氧化镓半导体在功率电子器件、日盲紫外光电探测和深紫外透明电极方面的应用。

另一方面，氧化镓的禁带宽度对应的吸收限在日盲深紫外区（253 nm），在可见光至深紫外光谱范围具有透明性，并且氧化镓可通过Si、Sn等元素掺杂获得高导电性。因此，氧化镓是一种很有前景的深紫外透明导电电极的候选材料。深紫外波长范围的光源（如深紫外LED，深紫外固态激光器等）被广泛应用于杀菌消毒、水体净化和生物医疗等领域。然而，对于深紫外发射源的器件应用来说，传统商用透明电极材料如氧化铟锡（ITO）、氟掺氧化锡（FTO）等禁带宽度较小，难以满足深紫外光透过率的需求。因此，氧化镓薄膜在这方面有着先天的材料优势。

目前大多数AlGaN深紫外光电器件是基于蓝宝石（Al₂O₃）衬底研制的，这主要是因为蓝宝石衬底的生产技术成熟、稳定性好、价格低廉且具有优秀的深紫外透明度。然而，由于Ga₂O₃与Al₂O₃之间晶格失配度较大，基于蓝宝石衬底异质外延生长的Ga₂O₃薄膜的电导率并不理想，通常低于1 S∙cm^-1。近期，厦门大学张洪良和上海光机所齐红基团队通过优化Si掺杂Ga₂O₃和蓝宝石衬底斜切角度，大幅提高了Ga₂O₃薄膜的电导率，最高可达37 S∙cm^-1。

研究团队采用脉冲激光沉积（PLD）技术在斜切蓝宝石衬底上外延生长了Si掺杂Ga₂O₃薄膜，发现适当增加衬底的斜切角度，能提供更高的台阶流密度，加速外延过程中成核层生长，有效抑制薄膜面内晶畴结构，降低了面内旋转对称性（如下图2）。在6°斜切衬底上生长的Si掺杂Ga₂O₃薄膜表现出更优的生长取向和台阶流生长模式，在保持优异深紫外光学透过度的同时，薄膜的迁移率和电导率明显增加，有利于其在深紫外透明电极中的应用（如下图3）。

图2. (a) Si掺杂Ga₂O₃薄膜在0°和6°斜切Al₂O₃(0001)衬底上生长形貌图； (b) Si掺杂Ga₂O₃薄膜在XRD Phi扫描图，显示斜切衬底明显降低了氧化镓薄膜面内旋转，降低了面内晶畴密度； (c) 在无斜切角度衬底 （左图：岛状生长）和6°斜切衬底(右图：阶梯流生长)上Ga₂O₃薄膜的生长方式示意图。

此外，研究团队也基于X射线光电子能谱（XPS）及紫外光电子能谱（UPS）对Si掺杂Ga₂O₃薄膜表面电子性质进行了研究，发现β-Ga₂O₃表面具有超过0.35 eV向上的能带弯曲，阻碍了欧姆接触的形成。另一方面，Ga₂O₃薄膜表面约为3.3 eV的低功函数使其有望成为深紫外LED中的高效电子注入材料。

图3. (a) Si:Ga₂O₃电极的紫外透过率随波长的变化； (b)在0°和6°斜切Al₂O₃(0001)衬底上生长的Si:Ga₂O₃薄膜的霍尔迁移率随Si掺杂浓度的变化。

该研究结果为Ga₂O₃薄膜异质外延生长和深紫外透明导电材料的开发提供了重要实验参考。相关工作以“Deep UV transparent conductive Si-doped Ga₂O₃ thin films grown on Al₂O₃ substrates”为题发表在知名应用物理期刊Applied Physics Letters上。本论文第一作者为厦门大学与杭州光机所联合培养博士杨珍妮。本工作得到了国家自然科学基金和深圳市自然科学基金的资助和支持。

厦门大学张洪良团队（主页：https://khlzhang.xmu.edu.cn）长期致力于氧化物半导体薄膜外延生长及其光电器件的研究，并结合同步辐射光电子能谱、吸收谱和理论计算等先进方法深入研究半导体材料与器件的电子结构、掺杂和缺陷机制、表界面结构等微观机理机制。迄今在Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. B.等发表论文150余篇，申请专利15项。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委面上基金、企业合作研发等项目10项。曾获国家高层次“青年”人才、剑桥大学Herchel Smith Research Fellowship、台湾积体电路制造公司（TSMC）最佳国际研究生科研奖。

来源：厦门大学张洪良团队 供稿