關(guān)于超寬禁帶氧化鎵晶相異質(zhì)結(jié)的新研究

【研究梗概】

在科技的快速發(fā)展中，超寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸成為新一代電子與光電子器件的研究熱點。而在近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）先進(jìn)半導(dǎo)體實驗室一項關(guān)于超寬禁帶氧化鎵（Ga2O3）晶相異質(zhì)結(jié)（Phase Heterojunction）的新研究發(fā)表在《Advanced Materials》上。論文第一作者為陸義博士。文章首次在實驗中展示了β相和κ相Ga2O3之間的清晰的、明確的、原子排列有序的、并具有II型能帶對齊的晶相異質(zhì)結(jié)，為研究Ga2O3/Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)提供了新的見解，并證明利用晶相異質(zhì)結(jié)可以極大促進(jìn)電子器件的發(fā)展。

【具體研究內(nèi)容】

超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）因其超寬禁帶寬度、較高的電子遷移率以及高擊穿電場，正逐漸成為先進(jìn)電子器件（如日盲探測和高功率電子器件）的理想候選材料。氧化鎵表現(xiàn)出多種晶相，包括α、β、γ、δ、ε和κ相。其中，具有單斜結(jié)構(gòu)的β相氧化鎵因其熱力學(xué)穩(wěn)定性和襯底的可用性而最受關(guān)注?；谕庋应孪嘌趸壉∧さ纳钭贤?a target="_blank">探測器、肖特基二極管及場效應(yīng)晶體管的應(yīng)用已得到廣泛驗證。近年來，研究通過金屬氧化物催化外延生長，利用Sn作為催化劑成功誘導(dǎo)κ相氧化鎵的形成。這種方法生產(chǎn)的κ相氧化鎵薄膜表現(xiàn)出高質(zhì)量及卓越的器件性能。

與氧化鎵類似，許多材料本身也具有多種晶相，每種晶相都呈現(xiàn)出獨特的結(jié)構(gòu)特性。即使是相同材料的不同晶相，其物理和化學(xué)特性也可能因載流子遷移率、化學(xué)穩(wěn)定性及能帶結(jié)構(gòu)的差異而顯著變化。部分研究已報道了“晶相異質(zhì)結(jié)(Phase Heterojunction)”的成功構(gòu)建，即在同一材料的不同晶相之間形成的結(jié)。這些異質(zhì)結(jié)在多種應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著的性能提升，包括太陽能電池、光催化、晶體管、水分解以及光電探測器。

因此，將不同Ga2O3晶相（α、β、γ、δ、ε和κ）集成以形成Ga2O3/Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)，可能通過各相之間帶隙或電子親和力的差異，產(chǎn)生獨特的異質(zhì)結(jié)特性。一些研究通過對亞穩(wěn)相（如α相或γ相）退火以部分轉(zhuǎn)變?yōu)樽顭岱€(wěn)定的β相，從而形成Ga2O3/Ga2O3結(jié)，然而，但這些結(jié)通常為隨機分布的多晶混合晶相（mixed phase junctions），界面模糊且具有多種晶體取向，如圖1（a）所示。對于適合晶圓級別半導(dǎo)體制造及研究晶相界面的物理特性來說，清晰的、明確的、原子排列有序的晶相異質(zhì)結(jié)（如圖1 b）尤為重要，然而，由于兩種晶相間具有相似的化學(xué)計量比以及外延困難，這種晶相異質(zhì)結(jié)的研究長期以來被忽視。該異質(zhì)結(jié)的形成對于需要高效光生載流子分離的各種電子和光電子應(yīng)用具有重要潛力。然而，目前關(guān)于Ga2O3異質(zhì)結(jié)的能帶排列的直接實驗驗證仍不明確，其電學(xué)性質(zhì)也因界面外延困難而未被研究。

圖1. 示意圖（a）已報道的混合晶相異質(zhì)結(jié)；

(b) 本研究中界面清晰的β/κ-Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)

因此，在本研究中，我們展示了一種界面清晰的β/κ Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)，其具有II型能帶排列，形成耗盡區(qū)以高效分離電子-空穴對，并實現(xiàn)自供電的深紫外探測。圖2可以明顯看出，正交晶系κ-Ga2O3與單斜晶系β-Ga2O3的XRD圖譜存在顯著差異。通過SIMS測得的β相/κ相Ga2O3樣品中元素的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)Sn和Si的強度在β相和κ相Ga2O3界面處顯著增加。這一現(xiàn)象可歸因于在沉積κ相Ga2O3時使用的靶材（Ga2O3:SnO2:SiO2，98.4%:1.5%:0.1%，重量比）中含有Si和Sn的成分。Sn的引入具有雙重作用：一方面，在高真空環(huán)境下通過減少亞氧化物（Ga2O）的刻蝕促進(jìn)了Ga2O3的形成；另一方面，Sn占據(jù)了八面體晶格位置，從而促進(jìn)了κ相的合成。此外，由于Si在Ga2O3中具有兩性行為，特別是在κ相Ga2O3中，Si在κ-Ga2O3中作為受主（或補償劑）而非施主，從而導(dǎo)致κ相Ga2O3表現(xiàn)出高絕緣的特性。

圖2 . β相/κ相Ga2O3異質(zhì)結(jié)生長

圖3 顯示了κ相Ga2O3與β相Ga2O3的高分辨率TEM圖像，清晰地揭示了原子排列及其清晰的界面（用藍(lán)色虛線曲線標(biāo)示）。圖3(c)提供了β相與κ相Ga2O3界面的放大圖，并疊加了原子模型。單斜晶系β相Ga2O3的晶體模型（空間群#12, C2/m）沿[-201]生長方向與HR-TEM圖像中的晶格排列很好地匹配。對于κ相Ga2O3，正交晶系的晶體模型（空間群#33, Pna21沿[010]區(qū)軸也與HR-TEM圖案一致。界面清晰且通過原子模型準(zhǔn)確映射，展現(xiàn)了從κ相平滑過渡到β相的β/κ Ga2O3異質(zhì)結(jié).

XPS測試 （圖4）揭示了β-Ga2O3/κ-Ga2O3異質(zhì)結(jié)的II型能帶對齊，其導(dǎo)帶和價帶偏移分別為0.71 eV和0.65 eV，表明界面處存在強電場。這種界面電場能夠在無外加偏壓的情況下有效分離光生電子-空穴對。這種II型異質(zhì)結(jié)的一個有前景的應(yīng)用是檢測日盲深紫外信號，尤其是在自供電模式下。因此，所展示的II型單晶β-Ga2O3/κ-Ga2O3異質(zhì)結(jié)，由于其界面電場以及相似的吸收邊，可能在自供電DUV光探測方面表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。

與單個晶相Ga2O3光電探測器相比，晶相異質(zhì)結(jié)的光響應(yīng)度提升了約三個數(shù)量級。在零偏壓下，所展示的光電探測器的響應(yīng)度、開關(guān)比、探測度、外量子效率以及上升/下降時間分別達(dá)到了17.8 mA/W, 580.8, 1.69×1010Jones, 9.2%, and 0.21/0.53 s秒，其性能優(yōu)于已報道的Ga2O3/Ga2O3混合相異質(zhì)結(jié)光電探測器。

圖4. XPS測試及能帶對齊

圖5. 在零偏壓下的光響應(yīng)光譜

圖6. β/κ-Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)光電探測器在不同偏壓下的光電流光譜

【結(jié)語】

鑒于Ga2O3具有多種晶相（α、β、γ、δ、ε和κ），未來可通過構(gòu)建涉及不同Ga2O3相的各種異質(zhì)結(jié)進(jìn)一步研究其異質(zhì)結(jié)特性，并推動電子器件應(yīng)用的發(fā)展。本研究中展示的κ/β Ga2O3異質(zhì)結(jié)為進(jìn)一步研究Ga2O3/Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)提供了新思路，開啟了新的探索機會。未來，隨著更多晶相異質(zhì)結(jié)設(shè)計的突破，超寬禁帶半導(dǎo)體Ga2O3材料有望在光電和電子技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)引領(lǐng)創(chuàng)新！