生长方法对Nb:Bi2WO6薄膜结构和电子特性的影响，这些薄膜适用于高功率pn结应用

《Materials Advances》：The impact of growth method on the structural and electronic properties of Nb:Bi2WO6 thin films for high-power pn junction applications

宽禁带半导体Bi2WO6薄膜通过PLD和SPE方法制备，结构表征显示SPE法生长的薄膜具有更优异的晶体质量、化学计量比和缺陷控制。XRD和TEM分析表明SPE薄膜实现了与基底的 epitaxial growth，且Bi/W比接近理想值。XPS和DFT计算揭示PLD薄膜存在Bi空位和缺陷态，导致能带结构畸变。器件测试表明SPE法制备的Nb:BWO/β-Ga2O3异质结二极管具有更低的反向漏电流和更高的整流比，证实SPE在抑制缺陷和提升性能方面的优势。

　　在现代电力电子技术的快速发展背景下，高击穿电压的功率器件设计成为提升能源效率和满足高性能电力转换需求的关键。为了应对传统硅基器件在物理极限上的瓶颈，研究人员将目光投向了宽禁带半导体材料，如氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）以及氧化镓（Ga?O?）。这些材料因其较高的击穿电场和优异的电子迁移率，被认为是下一代功率器件的理想候选。然而，对于氧化镓基的p型半导体材料，其发展仍面临诸多挑战，尤其是在实现稳定的p-n异质结和控制载流子密度方面。为了解决这些问题，研究团队探索了多种p型宽禁带氧化物半导体材料，并重点关注了铌掺杂的二硼化钨氧化物（Nb:BWO）作为潜在的p型材料。本研究通过脉冲激光沉积（PLD）和固相外延（SPE）两种方法制备了Nb:BWO薄膜，并系统分析了其结构、组成和缺陷特性，以评估其在功率器件中的应用潜力。

研究结果表明，虽然X射线衍射（XRD）分析证实了两种方法均能成功生长出目标的Nb:BWO相，但X射线荧光（XRF）和光电子能谱（PES）的分析揭示了PLD方法在生长过程中存在显著的铋（Bi）缺乏和近费米能级的缺陷态，而SPE方法则能够有效抑制这些缺陷，从而实现更优异的化学计量比和电子性能。这些缺陷的存在不仅影响了材料的本征电子结构，还可能导致异质结中的载流子复合路径，从而降低器件的整流性能。相比之下，SPE方法生长的薄膜表现出更高的结晶质量和更均匀的成分分布，使得异质结的整流行为更加理想。此外，PLD生长的薄膜在正向偏压区域的电流密度显著低于SPE生长的薄膜，而在反向偏压时则表现出较高的漏电流，进一步说明其性能劣化。这些现象可能与Bi缺乏引发的费米能级钉扎效应有关，而SPE方法由于其在生长过程中对成分的精确控制，能够有效避免此类问题。

为了更深入地理解材料的电子结构，研究团队利用密度泛函理论（DFT）计算了Bi?WO?（BWO）的能带特性。计算结果表明，SPE生长的薄膜在价带最大值（VBM）附近的电子结构与实验测量结果高度吻合，而PLD生长的薄膜则显示出明显的缺陷态，尤其是在费米能级附近。这可能与Bi缺乏导致的掺杂效应有关，因为Bi的缺失可能引发氧空位等缺陷，从而形成类似施主的电子态。这些缺陷态的存在不仅影响了材料的载流子行为，还可能对异质结的整流特性产生不利影响。通过对比PLD和SPE方法的电子结构差异，研究团队进一步揭示了SPE方法在抑制缺陷形成和优化界面质量方面的优势。

在实验设计方面，研究团队采用了多种先进的表征技术，包括XRD、XRF、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和二次离子质谱（SIMS）等，以全面评估薄膜的结构、成分和缺陷特性。XRD分析显示，SPE生长的薄膜具有更清晰的（0k0）布拉格峰，表明其结晶度更高且成分更接近理想值。而PLD生长的薄膜则表现出明显的成分偏差，这可能与生长过程中氧气压力不足导致的Bi挥发有关。SIMS分析进一步证实了这一观点，显示SPE生长的薄膜在深度方向上保持了高度的成分均匀性，而PLD生长的薄膜则在表面附近出现了显著的Bi缺乏现象。这些结果表明，SPE方法在维持材料化学计量比方面具有更强的控制能力。

此外，研究团队还利用HAADF-STEM技术观察了SPE生长的Nb:BWO薄膜与Nb:STO基底之间的界面结构。结果表明，薄膜与基底之间形成了清晰的周期性原子排列，且未观察到晶格缺陷或晶界，这进一步支持了SPE方法在制备高质量薄膜方面的有效性。相比之下，PLD生长的薄膜则表现出更多的化学不均匀性，这可能与其生长过程中因成分失衡导致的结构缺陷有关。通过PES和XAS分析，研究团队还发现SPE生长的薄膜在价带区域的电子结构更加稳定，而PLD生长的薄膜则显示出更宽的能带结构和较低的载流子浓度，这可能与Bi缺乏引发的氧空位有关。

为了验证这些材料特性对器件性能的实际影响，研究团队制备了基于Nb:BWO和β-Ga?O?的p-n异质结二极管，并测试了其电流密度-电压（J-V）特性。实验结果表明，SPE生长的薄膜能够显著提升器件的整流性能，其正向电流密度比PLD生长的薄膜高出一个数量级，而反向漏电流则大幅降低。这些性能的改善归因于SPE方法在抑制Bi缺乏和缺陷态方面的优势，从而提高了异质结界面的质量。同时，研究团队通过理论计算和实验数据对比，进一步揭示了SPE方法在优化能带结构和提升载流子迁移率方面的潜力。

值得注意的是，尽管SPE方法在制备高质量Nb:BWO薄膜方面表现出色，但研究团队仍然发现其在完全抑制施主型缺陷方面存在一定的局限性。这可能与生长过程中残留的氧空位有关，这些氧空位在一定程度上充当了补偿施主，从而限制了有效的空穴掺杂。因此，未来的优化工作可能需要进一步探索如何在SPE方法中减少氧空位的形成，以实现更理想的p型半导体性能。此外，研究团队还指出，BWO与Ga?O?异质结的整流特性在某些生长方法中并未被充分实现，例如水热合成法。这一现象可能与BWO中氧空位的大量生成有关，这些空位可能导致材料表现出类似于n型的特性，从而影响其作为p型材料的应用前景。

本研究不仅为高击穿电压功率器件的设计提供了新的思路，还强调了在制备过程中选择合适的生长方法对于实现高质量异质结的重要性。SPE方法通过在沉积后进行高温退火，能够在维持化学计量比的同时优化薄膜的结晶质量和界面特性，从而显著提升器件的性能。相比之下，PLD方法虽然能够快速沉积薄膜，但其在控制成分和减少缺陷方面存在一定的挑战。因此，对于包含挥发性元素的氧化物半导体材料，优化生长条件和选择适当的沉积技术成为提升器件性能的关键因素。

总的来说，这项研究通过系统分析PLD和SPE两种方法对Nb:BWO薄膜性能的影响，揭示了化学计量比和缺陷控制在功率器件设计中的核心作用。研究团队的结果表明，SPE方法在制备高质量p型氧化物半导体薄膜方面具有显著优势，这为未来宽禁带半导体器件的开发提供了重要的理论依据和实验支持。同时，研究还指出了在实际应用中仍需进一步解决的挑战，如如何更有效地抑制施主型缺陷和优化能带结构，以实现更理想的器件性能。这些发现不仅对功率电子器件的材料选择具有指导意义，也为后续的材料优化和器件设计提供了新的方向。