钽掺杂诱导的4H-SiC上β-Ga2O3薄膜结构调制与缺陷工程以实现可控光电性能

《Vacuum》：Ta-doping-induced structural modulation and defect engineering in β-Ga 2O 3 films on 4H-SiC for tailored optoelectronic properties

　　

摘要

在本研究中，通过在 4H-SiC 基板上以 10-40 W 功率进行射频磁控溅射，制备了 Ta 掺杂的 β-Ga₂O₃ 薄膜。研究发现，在溅射功率为 30 W 时，薄膜显示出改善的结晶性和均匀的晶粒尺寸。通过高分辨率透射电子显微镜观察到 Ta 掺杂引起的 β-Ga₂O₃ 晶格畸变。薄膜在可见光范围内表现出超过 85% 的高光学透明度，紫外吸收峰移至 381.34 nm。优化性能涉及用 Ta 取代两个 Ga 原子。吸收光谱峰与光子吸收后 Ta-5d 和 Ga-4p 轨道跃迁有关。目前的工作提供了通过 Ta 掺杂改善 β-Ga₂O₃ 薄膜性能的有效策略。

引言

氧化镓 (Ga₂O₃) 是一种超宽禁带半导体，由于其 4.4-5.5 eV 的禁带宽度、8 MV/cm 的理论击穿场和约 3444 的 Baliga 品质因数，在高功率电子、气体传感和太阳盲紫外光电探测方面显示出巨大潜力 [[1], [2], [3], [4], [5]]。值得注意的是，单斜 β 相作为 α、β、γ、δ 和 ε 形式中最稳定的同质多形体，展现出独特的紫外、蓝绿和绿光发光特性，使其成为高级光电应用的优秀候选者 [[6], [7], [8]]。

通常，Mg、Ta、Si 和 Sn 等掺杂元素通过取代 Ga 原子在 β-Ga₂O₃ 中产生额外的电子和空穴，用于替代掺杂以提高光电效率 [[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。其中，Ta 掺杂是 β-Ga₂O₃ 中的一种有效方法，比 Si⁴⁺ 和 Sn⁴⁺ 更有效地增加自由电子浓度 [13]。Ta⁵⁺ (0.64 ?) 和 Ga³⁺ (0.62 ?) 相似的离子半径最小化了应力和缺陷。此外，如 Ta₂O₅ 等 Ta 氧化物增强了光传输，可能提高 β-Ga₂O₃ 薄膜的光学透明度 [19,22]。例如，Dawe 等人使用 6N Ga₂O₃ 和 4N Ta₂O₅ 混合粉末，通过光学浮区生长法合成了 β-Ga₂O₃:Ta 单晶，发现吸收边显示红移，且带隙随温度升高而减小 [23]。Wang 等人利用 MOCVD 方法，通过三甲基镓 [Ga(CH₃)₃] 和五乙氧基钽 [Ta(C₂H₅O)₅] 源制备了 β-Ga₂O₃:Ta 异质外延薄膜，发现 Ta 掺杂提高了 β-Ga₂O₃ 的紫外探测能力，并在 222 nm 下表现出稳定的响应度 [19]。Chen 等人使用 MOCVD 制备了 β-Ga₂O₃:Ta 自供电太阳盲光电探测器，显示出良好的整流性能和对 222 nm 光的高响应度 [24]。引入种子层降低了结晶的能量需求，从而促进薄膜内纳米晶的生长。通过选择合适的种子层和温度，纳米晶薄膜可以采用 2D 生长模式并实现平坦的表面形貌。H. Huang 等人研究了 Ga2O3 种子层对使用射频溅射沉积制备 Ta 掺杂 Ga2O3 (Ga2O3: Ta) 纳米晶薄膜沉积的影响。采用了不同的衬底温度来生长种子层和薄膜。结果表明，生长过程主要由热力学产物控制 [25]。此外，Meng 等人研究了 Ta 浓度对 β-Ga₂O₃:Ta 薄膜微观结构、光学和光电性能的影响，发现含有 2.39 at.% Ta 浓度的薄膜在 Ta₂O₅ 溅射功率为 30 W 时结晶性增强 [12]。因此，Yang 等人研究了 Ta 掺杂点缺陷如 H_i 和 V_O 对 β-Ga₂O₃ 光电性能的影响。掺杂涉及将杂质原子精确掺入主晶格中以修改电学和/或光学性能 [13]。然而，作为掺杂源的 Ta₂O₅ 由于其化学计量比 Ta:O 为 2:5，在控制氧含量方面存在挑战。在薄膜沉积过程中，Ta-O 单元分解、解离并在 Ta 插入 β-Ga₂O₃ 晶格之前重新结合。这一过程引入了不确定性和复杂性，可能导致掺杂结果出现差异。因此，为了提高 Ta 掺杂的精度和可控性，并深化对掺杂机制和缺陷的理解，对于推进 β-Ga₂O₃ 薄膜在半导体应用中的发展至关重要，值得进一步研究掺杂方法和技巧 [26]。

已经对涉及 β-Ga₂O₃ 与各种基底（如 GaN [4,27]、SiC [28,29]、蓝宝石 [30,31] 以及 β-Ga₂O₃ 作为外延层）的异质结进行了广泛的研究，以优化和调节 β-Ga₂O₃ 的结构和性能。碳化硅 (SiC) 凭借其卓越的材料特性，已成为高级电子和光电应用的杰出候选者。

在本研究中，通过共沉积 Ga₂O₃ 和 Ta 靶材，利用磁控溅射制备了 Ta 掺杂的 β-Ga₂O₃:Ta 薄膜。此外，利用 4H-SiC 基板上的 β-Ga₂O₃:Ta 薄膜制备了异质结探测器。选择 4H-SiC 作为基底是因其优异的热导率（块体 490 W/m·K，比 GaN 高约 3.8 倍 [17,27]，比蓝宝石高约 14 倍 [30,31]）以及与 β-Ga₂O₃ 适中的晶格失配（约 4.8%），这两者共同实现了高质量的外延生长，同时为高功率器件应用提供了有效的散热。研究重点在于检查光电特性和紫外响应度。使用第一性原理方法计算了 β-Ga₂O₃:Ta 的原子结构、态密度和吸收系数。本研究系统地研究了通过低功率共溅射 (10–40 W) 进行微量 Ta 掺入及其对结构、缺陷和光电性能的影响。

章节摘录

制备

使用厚度为 350 毫米且掺杂浓度为 1 × 10¹⁸cm^?3 的 N 型 4H-SiC 外延晶圆作为基底。Ta 掺杂的 β-Ga₂O₃ 薄膜是通过射频磁控溅射在 4H-SiC 晶圆上制备的。SiC 外延晶圆首先在去离子水中清洗 10 分钟，然后用酒精清洗 10 分钟，最后吹干。Ga₂O₃ 溅射靶材安装在射频磁控溅射腔室中。4H-SiC 基板被放置在面向靶材的基座托架上。当腔室被抽至

形貌

图 1 展示了不同溅射功率下 Ta 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的形貌。如图 1(a) 所示，在 10 W 沉积功率下，低表面粗糙度的样品由尺寸约 25 nm 的晶粒组成。薄膜表现出三维颗粒状形貌，晶粒尺寸约为 25–50 nm，与 Volmer-Weber 生长模式一致。随着沉积功率的增加，表面粗糙度和晶粒尺寸增加 [图 1(b 和 c)]，例如 20-30 W。相比之下，

讨论

第一性原理计算可以从原子尺度阐明 β-Ga₂O₃:Ta 薄膜的电子结构、缺陷形成和掺杂机制。我们构建了一个包含 80 个原子的 1 × 2 × 2 Ga₂O₃ 超胞。Yang 等人 [13] 报告称，合金元素 Ta 优先取代 Ga 位点，形成替代缺陷。对于低浓度取代 (1.25 at.%)，仅存在两个独立的 Ga 位置，如图 10(a) 所示。当 Ta 浓度增加到 2.50 at.%

结论

在本研究中，通过在 4H-SiC 基板上进行低功率射频磁控共溅射 (Ga₂O₃ 150 W, Ta 10–40 W) 沉积了微量 Ta 掺入的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并研究了它们的结构演化、缺陷调制和光电响应。在 30 W 下沉积的薄膜表现出最佳的结晶性和均匀的晶粒尺寸。高分辨率 TEM 揭示了与微量 Ta 掺入一致局部晶格畸变。玻璃基板上的光学透射率超过 85%

作者贡献声明

Chuanjun Wang: 写作 – 审阅与编辑，调查，资金获取，形式分析。Shirui Wang: 写作 – 初稿，调查，数据整理。Yongsheng Wang: 写作 – 初稿，项目管理，方法论。Xin Yao: 方法论，数据整理。Ming Wen: 监督，资金获取，形式分析。Hongxi Liu: 写作 – 审阅与编辑，方法论，调查。Yunkun Zhao: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能看似影响本文 reported 的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金 - 云南联合基金 (项目编号 U25A20218)、云南省重大科技项目 (项目编号 202407AA110011) 和昆明市杰出青年人才 (项目编号 13020205) 的支持。

Chuanjun Wang|Shirui Wang|Yongsheng Wang|Xin Yao|Ming Wen|Hongxi Liu|Yunkun Zhao

昆明理工大学材料科学与工程学院，中国昆明，650093