具有优异电传输特性的p型β-Ga2O3同质外延薄膜

《Advanced Electronic Materials》：p-Type β-Ga2O3 Homoepitaxial Films with Superior Electrical Transport Properties

β-Ga?O?薄膜在(010)和(-201)晶向上通过MOCVD生长，显示显著各向异性电学性能：(010)样品在370-700 K范围内呈现高稳定空穴浓度（2.4×101? cm?3）和优异迁移率（最高69.4 cm2·V?1·s?1），而(-201)样品迁移率较低（26-36 cm2·V?1·s?1）且存在深能级缺陷。结构表征表明(010)薄膜具有无扩展缺陷的 epitaxy，晶格匹配度与基板一致，AFM显示表面粗糙度2.3 nm，STEM证实高结晶质量。

　　这项研究聚焦于β-氧化镓（β-Ga?O?）的异质外延生长技术，并探讨了不同晶体取向对材料电输运性质和结构特性的影响。β-Ga?O?因其具有极宽的带隙（约4.6–4.9电子伏特）、极高的击穿电场（超过8 MV/cm）以及出色的辐射硬度等优异的电子性能，被视为下一代功率电子和光电子器件的重要候选材料。此外，它在太阳盲紫外探测器领域也展现出巨大潜力，特别是在紫外光谱的UVC波段，由于其带隙特性和对大气臭氧层的响应，能够实现对UVC光源的高选择性检测，从而降低误报率。然而，实现β-Ga?O?的双极性特性，即同时具备n型和p型导电能力，是推动其在功率电子器件中广泛应用的关键挑战之一。

目前，β-Ga?O?的p型导电层主要依赖于异质结构，如采用多晶NiO作为p型氧化物。这在一定程度上限制了其在构建高质量p-n同质结方面的应用潜力。因此，研究者们开始探索如何在β-Ga?O?的同质外延生长中实现p型导电特性。本文报道了通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在（010）和（–201）取向的β-Ga?O?基底上同时生长出具有高结构质量和优异电输运特性的p型β-Ga?O?薄膜。这种薄膜在370 K至700 K温度范围内表现出稳定的空穴浓度，约为2.4 × 101? cm?3，而（010）取向的样品在空穴迁移率方面表现尤为突出，达到69.4 cm2/(V·s)。相比之下，（–201）取向的样品表现出典型的p型半导体行为，空穴迁移率在420 K至700 K之间为26至36 cm2/(V·s)。这些结果表明，不同晶体取向对材料的电输运特性具有显著影响，突显了晶体取向在材料性能调控中的重要性。

研究者通过多种结构和形貌表征手段，如X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）和扫描透射电子显微镜（STEM），对两种取向的薄膜进行了深入分析。XRD结果表明，（010）取向的薄膜具有优异的外延质量，其（020）晶面的半高宽（FWHM）仅为0.013°，接近基底的数值，显示出极高的晶格一致性。此外，X射线反射率（XRR）测量表明，薄膜表面粗糙度仅为2.0 nm，远低于基底的0.3 nm，进一步验证了其高质量的生长状态。STEM图像则揭示了薄膜中没有出现扩展缺陷或位错，这表明其生长过程有效地避免了这些结构缺陷的形成。然而，研究者也注意到点缺陷的存在，如Ga空位和氧空位复合体，这些缺陷可能在材料中扮演重要角色，影响其电输运特性。

通过电输运测量，研究团队发现（010）取向的β-Ga?O?薄膜在370 K至700 K范围内表现出显著的电导稳定性，其空穴浓度几乎保持不变，同时空穴迁移率随着温度升高而下降，从69.4降至39.8 cm2/(V·s)。这种电导行为与理论模型中预测的光学声子散射机制相符，表明迁移率主要受光学声子散射的影响。而（–201）取向的样品则表现出更典型的半导体行为，其空穴迁移率较低，且在较高温度下呈现更显著的激活能依赖性。这种电输运特性的差异可能与两种取向的表面结构、晶格失配以及点缺陷密度的不同有关。

研究还指出，β-Ga?O?的电输运特性不仅受到晶体取向的影响，还与材料的缺陷结构密切相关。特别是，Ga空位和氧空位复合体等原生缺陷可能在某些取向中更易形成，从而影响空穴的迁移行为。此外，研究者还发现，在某些情况下，点缺陷可能表现为Ga原子的间隙态或氧原子的空位态，这些缺陷的存在可能与材料的生长条件、基底的表面处理方式及掺杂元素的引入有关。例如，在使用（010）取向基底进行生长时，研究团队观察到了更多的Ga间隙态，这可能与特定的生长条件和基底表面特性有关。

在电输运测量中，研究团队采用范德帕乌（Van der Pauw）配置，以确定材料的电阻率、载流子类型、浓度和迁移率。通过对不同温度下的电阻率和空穴迁移率的测量，研究者发现（010）取向的薄膜在高温下表现出更高的电导能力，这可能是由于其更优异的晶体质量以及更少的缺陷影响。此外，实验还发现，材料在不同温度下的电导稳定性良好，表明其在实际应用中具有较强的温度适应性。这些结果对于构建高性能的β-Ga?O?基p-n同质结至关重要，因为同质结的性能直接决定了器件的效率和稳定性。

进一步的分析表明，β-Ga?O?的电输运特性与材料的能带结构密切相关。在某些取向中，空穴的迁移可能受到能带结构中某些复合缺陷的影响，例如Ga空位和氧空位的结合。这些缺陷可能形成深能级，从而影响空穴的迁移能力。然而，（010）取向的样品表现出更自由的空穴迁移行为，这可能与其独特的晶格结构和缺陷分布有关。例如，（010）取向的晶面中包含Ga原子的四面体和八面体位点，以及氧原子的特定比例，这可能对空穴的迁移行为产生积极影响。相比之下，（–201）取向的晶面可能因不同的表面终止结构而表现出不同的缺陷密度，从而影响其电输运性能。

研究还讨论了理论模型与实验结果之间的差异。虽然一些理论预测认为β-Ga?O?中的空穴迁移可能具有极化子特性，即空穴可能被局域化，但实验结果却显示，（010）取向的薄膜中空穴迁移率较高，且在较高温度下表现出更自由的迁移行为。这种现象可能表明，空穴在β-Ga?O?中的迁移并非完全受极化子效应限制，而是可能受到其他因素的影响，如晶格结构、缺陷分布和能带形状等。这些发现不仅对理解β-Ga?O?的电输运机制具有重要意义，也为未来开发高性能的β-Ga?O?基电子器件提供了理论依据。

此外，研究还提到，β-Ga?O?在不同晶体取向下的电输运特性差异，可能是由于其表面结构的不对称性以及晶格失配等因素导致的。例如，（010）取向的晶面可能具有不同的表面能和晶格结构，这可能导致空穴在该取向下表现出更高的迁移率。这种取向依赖的电输运特性对于优化器件设计和提升性能具有重要指导意义。因此，深入研究不同取向下的电输运特性，有助于开发更高效的β-Ga?O?基电子器件。

总之，这项研究通过实验和理论分析，揭示了β-Ga?O?在不同晶体取向下的电输运特性差异，并强调了晶体取向在调控材料性能中的关键作用。研究结果不仅为β-Ga?O?的p型导电层的制备提供了新的思路，也为未来开发高性能的β-Ga?O?基电子器件奠定了基础。同时，这些发现也为进一步研究β-Ga?O?的缺陷行为、能带结构以及电输运机制提供了重要的参考依据。