同轴生长与掺杂β-Ga2O3（100）取向薄膜的电子结构

《Advanced Electronic Materials》：Homoepitaxial Growth and the Electronic Structure of Degenerately Si Doped β-Ga2O3 (100) Oriented Thin Films

β-Ga2O3薄膜的Si掺杂及电子结构研究。采用PLD在(100)Fe-Ga2O3衬底上制备Si掺杂β-Ga2O3薄膜，载流子浓度达1.6×10^20 cm^-3，电导率最高468.8 S/cm。通过HAXPES分析发现， Burstein-Moss效应（ΔBM）使光学带隙增大，而带隙重整化（ΔBGR）导致带隙缩小。ΔBGR在(100)薄膜中比(010)高0.1 eV，源于晶体场分裂和介电常数各向异性差异。

　　β-Ga?O?作为一种具有独特性能的宽禁带半导体材料，近年来因其在功率电子、深紫外（DUV）光电器件以及透明电子器件等领域的广泛应用而受到广泛关注。其宽禁带特性（约为4.85 eV）和高击穿电场（可达8 MV/cm）使其在传统第三代半导体材料如SiC（2.2 MV/cm）和GaN（3.3 MV/cm）之上展现出显著优势。然而，为了实现高性能的β-Ga?O?基器件，对材料的载流子浓度、迁移率以及缺陷密度的精确控制至关重要。特别是在金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中，β-Ga?O?通常作为漂移层，要求载流子浓度在101?–101? cm?3范围内，并且需要数微米的厚度；而在欧姆接触电极中，通常需要更高的载流子浓度（>101? cm?3）。因此，对β-Ga?O?薄膜的掺杂研究，尤其是硅（Si）掺杂，成为提升其电学性能和优化器件应用的关键方向。

本研究通过同质外延生长技术，在（100）取向的铁（Fe）掺杂β-Ga?O?衬底上成功制备了不同Si掺杂浓度（0.01%至1%）的β-Ga?O?薄膜，并对其电子结构和光学带隙的变化进行了深入探讨。实验结果显示，随着Si掺杂浓度的增加，薄膜的载流子浓度显著上升，从3.7 × 101? cm?3到1.6 × 102? cm?3。在1%的Si掺杂条件下，薄膜的导电性达到468.8 S/cm，这是目前文献中报道的在（100）取向衬底上所获得的最高导电性之一，显示出其作为欧姆接触电极的潜力。

为了进一步理解掺杂对β-Ga?O?电子结构的影响，本研究采用同步辐射硬X射线光电子能谱（HAXPES）技术，对掺杂薄膜的电子结构进行了详细分析。HAXPES技术具有高分辨率和良好的能量分辨能力，能够直接观察到载流子在导带（CB）底部的分布情况，并精确测量导带底（CBM）和价带顶（VBM）相对于费米能级（E_F）的位置。研究发现，随着Si掺杂浓度的增加，CBM的占据程度显著增强，这主要归因于Si作为有效施主的特性，其引入的自由电子能够填充CB的底部，从而导致导带的电荷密度增加，同时引起光学带隙的变化。这种现象被称为Burstein-Moss效应（BM效应），即由于载流子浓度的升高，光学带隙出现扩大趋势。然而，BM效应的影响被另一种效应——掺杂引起的带隙重整化（BGR）所部分抵消，后者源于载流子与杂质之间的相互作用以及库仑相互作用导致的带隙收缩或调整。

在本研究中，通过HAXPES分析，发现随着Si掺杂浓度的增加，光学带隙呈现逐渐扩大的趋势，但这种扩大并未达到BM效应理论预测的极限。实验结果显示，1% Si掺杂的薄膜光学带隙达到4.92 eV，而0.01% Si掺杂的薄膜带隙为4.81 eV。这一现象表明，BM效应和BGR效应在实际材料中存在相互竞争的关系。为了进一步解析这两种效应的贡献，研究者利用半导体载流子统计模型对实验数据进行了拟合，结果表明，BGR效应在（100）取向的β-Ga?O?薄膜中比在（010）取向薄膜中更为显著，且其值略高于后者。这种差异主要归因于β-Ga?O?的各向异性特性，包括晶体场分裂和介电常数的各向异性。这些特性使得不同取向的β-Ga?O?在掺杂过程中表现出不同的电子结构响应。

此外，研究还发现，随着Si掺杂浓度的增加，Ga 2p?/?和O 1s核心能级的结合能逐渐向高能方向偏移，这与费米能级的上移密切相关。同时，核心能级的半峰全宽（FWHM）也随着Si掺杂浓度的增加而逐渐增大，特别是在0.5%和1%的Si掺杂样品中，结合能的偏移呈现出一定的不对称性。这种不对称性可能与高载流子浓度引起的最终态屏蔽效应或等离子体卫星峰有关，而这些现象在其他高度掺杂的半导体氧化物中也已被报道。进一步分析表明，这些变化与材料的带隙调整密切相关，特别是由于电子-电子相互作用和电子-离子相互作用引起的BGR效应。

值得注意的是，β-Ga?O?的电子结构表现出明显的各向异性，这与材料的晶体场和自旋轨道耦合有关。在（010）取向的薄膜中，VBM可能被分裂为多个能带，而这些能带之间的跃迁表现出强烈的各向异性特征。相比之下，（100）取向的薄膜由于其较低的表面能和Ga原子的双定位效应，更容易在生长过程中形成孪晶层和晶界缺陷，从而影响其晶体质量。尽管如此，（100）取向的β-Ga?O?衬底由于其更易于制备大尺寸单晶衬底，仍然具有重要的应用潜力。因此，对（100）取向β-Ga?O?薄膜的掺杂控制，不仅是材料科学领域的重要研究方向，也是推动其在功率电子、深紫外光电器件和透明电子等应用中的关键因素。

为了实现这一目标，研究者采用了一种精确的实验方法。首先，通过热处理（900–1200 °C）对Fe掺杂的β-Ga?O?衬底进行表面优化，以形成有利于薄膜生长的原子台阶结构。随后，使用脉冲激光沉积（PLD）技术，在优化后的衬底上制备不同Si掺杂浓度的β-Ga?O?薄膜。PLD技术能够实现高精度的薄膜沉积，并且在本研究中，通过调节Si掺杂浓度，成功获得了具有不同载流子浓度和导电性的薄膜样品。实验结果显示，当Si掺杂浓度超过0.5%时，薄膜的光学带隙变化趋势开始趋于饱和，这可能与材料中出现的Ga空位（V_Ga）和Si相关的复合缺陷有关，这些缺陷可能在更高浓度的Si掺杂条件下形成，从而影响载流子的迁移和分布。

此外，研究者还通过高分辨率HAXPES对薄膜的电子结构进行了深入分析。HAXPES不仅能够准确测量VBM和CBM的位置，还能提供关于电子占据态的详细信息。实验数据显示，随着Si掺杂浓度的增加，CBM的占据程度显著增强，而VBM的变化则相对较小。这种现象表明，BM效应和BGR效应在实际材料中存在复杂的相互作用，其中BGR效应在很大程度上限制了光学带隙的进一步扩大。因此，理解这两种效应对于优化β-Ga?O?的电子和光学性能具有重要意义，尤其是在设计高性能的光电器件和功率器件时。

通过将实验数据与理论模型进行对比，研究者发现，实验测量的带隙变化与基于自由电子模型的预测存在一定的偏差，这进一步验证了BGR效应在高度掺杂β-Ga?O?材料中的重要性。同时，实验结果表明，β-Ga?O?的介电常数在不同取向下存在显著差异，这可能对BGR效应的强度产生影响。例如，在（100）取向的β-Ga?O?薄膜中，BGR效应的值比在（010）取向薄膜中更高，这与材料的各向异性特征密切相关。

总体而言，本研究通过实验和理论分析，揭示了Si掺杂对β-Ga?O?电子结构和光学性能的影响机制。研究结果表明，适当浓度的Si掺杂能够有效填充由Ga 4s轨道构成的导带，从而提高材料的导电性。同时，BM效应和BGR效应的共同作用导致了光学带隙的变化，而BGR效应在不同取向的材料中表现出显著的各向异性。这些发现不仅有助于理解β-Ga?O?的电子行为，也为优化其在光电器件和功率器件中的应用提供了理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探索如何通过调控掺杂浓度和衬底取向，实现更高效的载流子传输和更稳定的电子结构，从而推动β-Ga?O?在新型电子器件中的应用。