深紫外透明導(dǎo)電Si摻雜氧化鎵異質(zhì)外延薄膜研究

近年來，氧化鎵（Ga2O3）半導(dǎo)體受到世界各國科研和產(chǎn)業(yè)界的普遍關(guān)注。氧化鎵具有4.9 eV的超寬禁帶，高于第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）的3.2 eV和氮化鎵（GaN）的3.39 eV。更寬的禁帶寬度意味著電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶需要更多的能量，因此氧化鎵具有耐高壓（極強(qiáng)的臨界場強(qiáng)）、高效率（更低導(dǎo)通電阻）、大功率、抗輻照等特性。基于氧化鎵的功率電子器件在新能源汽車、軌道交通等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，且氧化鎵的光電探測器在導(dǎo)彈預(yù)警、高壓電網(wǎng)電暈檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的潛力。

另一方面，氧化鎵的禁帶寬度對(duì)應(yīng)的吸收限在日盲深紫外區(qū)（253 nm），在可見光至深紫外光譜范圍具有透明性，并且氧化鎵可通過Si、Sn等元素?fù)诫s獲得高導(dǎo)電性。因此，氧化鎵是一種很有前景的深紫外透明導(dǎo)電電極的候選材料。深紫外波長范圍的光源（如深紫外LED，深紫外固態(tài)激光器等）被廣泛應(yīng)用于殺菌消毒、水體凈化和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。

然而，對(duì)于深紫外發(fā)射源的器件應(yīng)用來說，傳統(tǒng)商用透明電極材料如氧化銦錫（ITO）、氟摻氧化錫（FTO）等禁帶寬度較小，難以滿足深紫外光透過率的需求。因此，氧化鎵薄膜在這方面有著先天的材料優(yōu)勢(shì)。

目前大多數(shù)AlGaN深紫外光電器件是基于藍(lán)寶石（Al2O3）襯底研制的，這主要是因?yàn)樗{(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉且具有優(yōu)秀的深紫外透明度。然而，由于Ga2O3與Al2O3之間晶格失配度較大，基于藍(lán)寶石襯底異質(zhì)外延生長的Ga2O3薄膜的電導(dǎo)率并不理想，通常低于1 S?cm-1。近期，廈門大學(xué)張洪良和上海光機(jī)所齊紅基團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化Si摻雜Ga2O3和藍(lán)寶石襯底斜切角度，大幅提高了Ga2O3薄膜的電導(dǎo)率，最高可達(dá)37 S?cm-1。

研究團(tuán)隊(duì)采用脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)在斜切藍(lán)寶石襯底上外延生長了Si摻雜Ga2O3薄膜，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加襯底的斜切角度，能提供更高的臺(tái)階流密度，加速外延過程中成核層生長，有效抑制薄膜面內(nèi)晶疇結(jié)構(gòu)，降低了面內(nèi)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性（如下圖2）。在6°斜切襯底上生長的Si摻雜Ga2O3薄膜表現(xiàn)出更優(yōu)的生長取向和臺(tái)階流生長模式，在保持優(yōu)異深紫外光學(xué)透過度的同時(shí)，薄膜的遷移率和電導(dǎo)率明顯增加，有利于其在深紫外透明電極中的應(yīng)用（如下圖3）。

圖2. (a) Si摻雜Ga2O3薄膜在0°和6°斜切Al2O3(0001)襯底上生長形貌圖；?(b) Si摻雜Ga2O3薄膜在XRD Phi掃描圖，顯示斜切襯底明顯降低了氧化鎵薄膜面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，降低了面內(nèi)晶疇密度； (c) 在無斜切角度襯底 （左圖：島狀生長）和6°斜切襯底(右圖：階梯流生長)上Ga2O3薄膜的生長方式示意圖。

此外，研究團(tuán)隊(duì)也基于X射線光電子能譜（XPS）及紫外光電子能譜（UPS）對(duì)Si摻雜Ga2O3薄膜表面電子性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)β-Ga2O3表面具有超過0.35 eV向上的能帶彎曲，阻礙了歐姆接觸的形成。另一方面，Ga2O3薄膜表面約為3.3 eV的低功函數(shù)使其有望成為深紫外LED中的高效電子注入材料。

圖3. (a) Si:Ga2O3電極的紫外透過率隨波長的變化；?(b)在0°和6°斜切Al2O3(0001)襯底上生長的Si:Ga2O3薄膜的霍爾遷移率隨Si摻雜濃度的變化。

該研究結(jié)果為Ga2O3薄膜異質(zhì)外延生長和深紫外透明導(dǎo)電材料的開發(fā)提供了重要實(shí)驗(yàn)參考。相關(guān)工作以“Deep UV transparent conductive Si-doped Ga2O3?thin films grown on Al2O3?substrates”為題發(fā)表在知名應(yīng)用物理期刊Applied Physics Letters上。本論文第一作者為廈門大學(xué)與杭州光機(jī)所聯(lián)合培養(yǎng)博士楊珍妮。本工作得到了國家自然科學(xué)基金和深圳市自然科學(xué)基金的資助和支持。

來源：廈門大學(xué)張洪良團(tuán)隊(duì) 供稿

審核編輯：劉清