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（極強的臨界場強）、高效率（更低導(dǎo)通電阻）、大功率、抗輻照等特性?；谘趸壍墓β孰娮悠骷谛履茉雌嚒④壍澜煌ǖ阮I(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，如下圖1。

圖1. 超寬禁帶氧化鎵半導(dǎo)體在功率電子器件、日盲紫外光電探測和深紫外透明電極方面的應(yīng)用。 

另一方面，氧化鎵的禁帶寬度對應(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。

目前大多數(shù)AlGaN深紫外光電器件是基于藍寶石（Al₂O₃）襯底研制的，這主要是因為藍寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好、價格低廉且具有優(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)張洪良和上海光機所齊紅基團隊通過優(yōu)化Si摻雜Ga₂O₃和藍寶石襯底斜切角度，大幅提高了Ga₂O₃薄膜的電導(dǎo)率，最高可達37 S?cm^-1。研究團隊采用脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)在斜切藍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)的生長取向和臺階流生長模式，在保持優(yōu)異深紫外光學(xué)透過度的同時，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，研究團隊也基于X射線光電子能譜（XPS）及紫外光電子能譜（UPS）對Si摻雜Ga₂O₃薄膜表面電子性質(zhì)進行了研究，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)提供了重要實驗參考。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。

原文鏈接：https://pubs.aip.org/aip/apl/article/122/17/172102/2886721

廈門大學(xué)張洪良團隊介紹：

廈門大學(xué)張洪良團隊（主頁：https://khlzhang.xmu.edu.cn/）長期致力于氧化物半導(dǎo)體薄膜外延生長及其光電器件的研究，并結(jié)合同步輻射光電子能譜、吸收譜和理論計算等先進方法深入研究半導(dǎo)體材料與器件的電子結(jié)構(gòu)、摻雜和缺陷機制、表界面結(jié)構(gòu)等微觀機理機制。迄今在Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. B.等發(fā)表論文150余篇，申請專利15項。主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金委面上基金、企業(yè)合作研發(fā)等項目10項。曾獲國家高層次“青年”人才、劍橋大學(xué)Herchel Smith Research Fellowship、臺灣積體電路制造公司（TSMC）最佳國際研究生科研獎。