通过可控的光机械耦合和德鲁德等离子体协同效应，在芯片级硅光机械系统中实现动态高阶频率分割控制

《Optics & Laser Technology》：Dynamic high-order frequency division control in chip-scale silicon optomechanical systems via controllable optomechanical coupling and drude plasma synergy

通过溶胶-凝胶法制备β-Ga2O3薄膜并优化快速热退火（RTA）工艺，研究不同退火温度（500-1200°C）对晶体结构、氧空位浓度及光学性能的影响。XRD证实1100°C时薄膜呈现单斜β相且 preferred orientation沿(-201)晶面，XPS显示此时O/Ga比接近理想值1.5，氧空位率降至10.44%。PL光谱表明高温退火增强325nm缺陷相关发光峰。XRR显示薄膜厚度均一（约100nm），但1200°C时Al元素扩散导致晶格畸变，AFM显示低温存在涂层褶皱，高温产生裂纹。摘要长度：99字。

　　本研究聚焦于β-Ga?O?薄膜的退火条件优化，旨在减少氧空位并提升其在电子和光电子应用中的性能。β-Ga?O?作为一种具有宽禁带的半导体材料，因其优异的光学、热学和电学特性而备受关注。特别是在高功率、高温和高频应用场景中，β-Ga?O?展现出了替代传统硅基半导体材料的潜力。研究表明，β-Ga?O?的禁带宽度约为4.8至5.0电子伏特，使其在近紫外和可见光范围内具有良好的透光性，而在深紫外波段则表现出较高的吸收能力。这一特性使其成为LED、紫外光探测器和显示技术等光电子器件的理想材料。

此外，β-Ga?O?的β相结构以其单斜晶系为特点，具备较高的击穿电压和良好的热稳定性。相比硅（0.3 MV/cm）和碳化硅（3 MV/cm），β-Ga?O?的击穿电场强度约为8 MV/cm，显著提高了其在高电压电子设备中的应用能力。然而，尽管β-Ga?O?具有诸多优势，其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，其热导率相对较低（10–30 W/m·K），需要依赖先进的冷却系统来应对高功率应用中的热管理问题。同时，实现p型掺杂也是一项技术难点，限制了其在互补型电子器件中的应用。这些缺陷通常被归类为原生缺陷，源于晶格中的原子，或者外来缺陷，由杂质的引入造成。

为了优化β-Ga?O?薄膜的性能，研究采用了溶胶-凝胶法（sol-gel method）进行薄膜的制备，并通过快速热退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）技术来改善其晶体结构和减少氧空位。溶胶-凝胶法因其操作简便、成本低廉且适合大规模生产而被广泛应用于薄膜制备。然而，溶胶-凝胶法制备的β-Ga?O?薄膜在预烧结后通常呈现非晶态或低结晶度，因此需要通过退火处理来实现完全的结晶化。在本研究中，薄膜在不同退火温度（从500°C到1200°C）下进行了处理，并考察了退火时间和环境对薄膜性能的影响。

研究结果表明，当退火温度为1100°C时，β-Ga?O?薄膜的晶体结构和密度达到了最佳状态。X射线衍射（XRD）分析确认了薄膜的单斜β相结构，并显示出在(-201)晶面方向上的择优取向。此外，紫外-可见光谱（UV-vis spectroscopy）显示，在所有退火温度下薄膜均具有超过85%的透光率，同时随着氧空位的减少，禁带宽度有所增加。这表明，减少氧空位不仅有助于提高薄膜的导电性能，还能够改善其光学特性。

X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了退火温度对氧空位浓度的影响。在1100°C下，O/Ga比值达到了约1.4，接近理想的化学计量比1.5，同时氧空位的浓度降至10.44%。然而，当退火温度升至1200°C时，铝元素从基板中扩散到β-Ga?O?薄膜中，这在XPS分析中得到了验证，表现为铝相关的峰，表明铝元素与β-Ga?O?晶格之间发生了相互扩散。这一现象可能对薄膜的性能产生不利影响，尤其是在高功率应用中，铝的扩散可能降低薄膜的导电性和稳定性。

为了进一步研究缺陷工程对薄膜性能的影响，研究采用了光致发光光谱（photoluminescence spectroscopy, PL）技术。PL光谱显示，在325 nm、365 nm和415 nm处出现了明显的发射峰，其中325 nm的发射峰在较高退火温度下变得更加显著。这表明，退火温度的增加可能改变了薄膜中的缺陷分布，进而影响了其发光特性。此外，X射线反射（XRR）技术显示，所有样品的薄膜厚度约为100 nm，且在1100°C退火条件下薄膜的密度最高。这表明，退火温度对薄膜的物理性能具有重要影响。

原子力显微镜（AFM）分析则揭示了退火温度对薄膜表面形貌的影响。在较低退火温度下，薄膜表面出现了由旋涂工艺引起的波纹，而在较高退火温度下，由于热膨胀系数的不匹配，薄膜表面出现了裂纹。这表明，退火温度的控制对于薄膜的表面质量和结构稳定性至关重要。在本研究中，通过优化退火温度和时间，成功实现了β-Ga?O?薄膜的高质量制备，减少了氧空位，提高了结晶度和光学透光率。

综上所述，β-Ga?O?作为一种具有宽禁带的半导体材料，其在高功率、高温和高频电子设备中的应用潜力巨大。然而，其在实际应用中仍面临诸多挑战，如氧空位的控制、热导率的限制以及p型掺杂的实现。通过溶胶-凝胶法结合快速热退火技术，研究成功优化了β-Ga?O?薄膜的性能，使其在电子和光电子应用中具备更高的可靠性。未来的研究方向可能包括进一步探索不同退火条件对薄膜性能的影响，以及开发新的掺杂技术以提高β-Ga?O?的p型导电性。此外，随着β-Ga?O?在光电子器件中的应用不断拓展，其在深紫外光探测器和太阳能盲探测器等领域的潜力也将进一步被挖掘。