钽掺杂对光学悬浮区熔法生长的β-Ga2O3 (010)单晶材料性能的影响研究

为解决宽禁带半导体β-Ga2O3在功率电子器件应用中导电性调控的难题，研究人员通过光学悬浮区熔法(OFZ)成功生长了(010)取向的钽(Ta)掺杂β-Ga2O3单晶。研究发现Ta掺杂可显著提升载流子浓度(1017-1018 cm?3)，降低带隙能量并维持80%的高透光率，同时介电损耗保持极低水平。该研究为开发高性能功率电子和光电器件提供了新材料解决方案。

　　

在功率电子和光电器件领域，宽禁带半导体材料正引发新一轮技术革命。其中，β相氧化镓(β-Ga₂O₃)因其超宽禁带(4.5-4.9 eV)、超高击穿电场(8 MV/cm)和优异的热稳定性，被视为下一代功率器件的理想材料。然而，如何实现可控的n型掺杂一直是制约其应用的瓶颈问题。传统掺杂剂如锡(Sn)和硅(Si)存在蒸发率高、晶体退化等缺陷，亟需开发新型掺杂体系。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究人员创新性地采用钽(Ta)作为掺杂元素，通过光学悬浮区熔法(Optical Floating Zone, OFZ)成功制备了(010)取向的Ta掺杂β-Ga₂O₃单晶。这项发表于《Materials Chemistry and Physics》的研究，系统揭示了Ta掺杂对材料结构、电学、光学和介电性能的调控规律。

研究团队主要运用了三种关键技术：光学悬浮区熔晶体生长技术(OFZ)实现无坩埚污染的单晶制备；X射线衍射(XRD)结合Rietveld精修分析晶体结构与晶格膨胀；霍尔效应测试定量表征载流子浓度变化。实验设置了未掺杂(UID)和0.05-0.5 mol%三种Ta掺杂浓度的对比组。

单晶生长与结构表征
XRD分析确认所有样品均保持(010)取向，Ta掺杂导致衍射峰向低角度偏移，表明晶格膨胀。Rietveld精修显示晶胞参数a、b、c随Ta含量增加而线性增大，0.5 mol%样品体积膨胀率达0.15%。高分辨透射电镜(HR-TEM)和拉曼光谱进一步验证了晶体质量，未观察到次级相形成。

电学性能调控
霍尔测量揭示Ta掺杂显著提升n型导电性：载流子浓度从UID的10¹⁷ cm^?3增至0.5 mol%掺杂的10¹⁸ cm^?3。这种变化源于Ta⁵⁺取代Ga³⁺后贡献的两个自由电子。值得注意的是，(010)取向样品展现出优于(100)取向的载流子迁移率，这与其更高的热导率相关。

光学与介电特性
紫外-可见光谱显示Ta掺杂使光学带隙从4.85 eV(UID)降至4.72 eV(0.5 mol%)，同时维持>80%的可见光透过率。介电测试发现低频区(100 Hz)介电常数高达18，随频率升高逐渐降低至高频区(1 MHz)的12。所有样品介电损耗(tanδ)均低于0.02，满足功率器件对介电材料的要求。

结论与展望
该研究证实Ta是β-Ga₂O₃的理想n型掺杂剂，其优势体现在：离子半径与Ga³⁺匹配度高，晶格畸变小；5+氧化态稳定，提供双电子掺杂；可实现10¹⁷-10¹⁸ cm^?3范围的载流子浓度精确调控。特别重要的是，(010)取向晶体展现出更优的热导率和电学均匀性，这对解决功率器件的自热效应具有特殊价值。

这项工作不仅为β-Ga₂O₃基功率器件提供了新材料体系，其揭示的"掺杂-结构-性能"关系对其它宽禁带半导体掺杂研究具有借鉴意义。未来研究可进一步探索Ta掺杂浓度与器件击穿电压、热稳定性的构效关系，推动β-Ga₂O₃在高压整流器、紫外探测器等领域的实际应用。