光氧化GaAs与GaSb表面先进有效功函数模型的构建及其掺杂依赖性研究

针对III-As/Sb半导体表面费米能级钉扎机制争议，研究人员通过拉曼光谱（Raman）和开尔文探针力显微镜（KPFM）技术，结合激光光氧化调控，揭示了非晶/晶态V族元素层的形成规律及其与有效功函数（EWF）的关联，提出了改进的EWF模型，为半导体器件表面工程提供了理论依据。

　　

半导体表面电子态对器件性能的影响一直是研究热点，尤其是III-V族化合物（如GaAs、GaSb）因高表面态密度和费米能级钉扎现象，其表面机制争议不断。现有模型如本征缺陷模型、虚拟诱导带隙态（VIGS）等均存在局限性，而有效功函数（EWF）模型虽能解释部分现象，却难以阐明掺杂类型与浓度的影响。针对这一难题，研究人员通过激光光氧化调控表面结构，结合多尺度表征技术，揭示了表面化学过程与电子特性的深层关联。

研究团队采用拉曼光谱（Raman spectroscopy）和开尔文探针力显微镜（Kelvin probe force microscopy, KPFM）对长期暴露于大气的p型/n型GaAs（掺杂浓度10¹⁸ cm^?3）和GaSb（10¹⁷ cm^?3）基底进行分析。通过控制激光功率（如12.5 kW/cm²阈值）诱导非晶或晶态砷/锑层形成，同步监测表面电势差与功函数变化。

Samples and methods
选取(001)晶向GaAs/GaSb基底，利用激光光氧化调控表面氧化物结构与厚度。拉曼光谱用于检测As/Sb层形态（非晶或晶态），KPFM则量化表面电势与功函数关联。

Results and discussion
拉曼光谱证实：空气中III族元素优先氧化形成非晶V族层，而激光照射可诱导晶态多层锑烯（antimonene）生成。KPFM数据显示非晶与晶态层的功函数差异直接关联费米能级钉扎位置。p型与n型样品的功函数对比揭示了掺杂类型对表面电子态的调控作用。

Conclusions
研究提出改进的EWF模型，阐明光氧化条件下GaAs/GaSb表面双氧化层（III族氧化物+V族元素层）的形成机制，证明费米能级钉扎受V族层结晶性与掺杂参数双重调控。该模型为III-V半导体表面态工程及器件设计提供了普适性理论框架。

重要意义
突破传统EWF模型对掺杂依赖性解释的局限，首次将表面结构（非晶/晶态）与电子特性（功函数、费米能级）动态关联，为高性能半导体器件的表面钝化工艺开发奠定基础。相关成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》。