KAUST：超寬禁帶氧化鎵晶相異質(zhì)結(jié)

在科技的快速發(fā)展中，超寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸成為新一代電子與光電子器件的研究熱點(diǎn)。而在近日，沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室一項(xiàng)關(guān)于超寬禁帶氧化鎵（Ga2O3）晶相異質(zhì)結(jié)（Phase Heterojunction）的新研究發(fā)表在《Advanced Materials》上。論文第一作者為陸義博士。文章首次在實(shí)驗(yàn)中展示了β相和κ相Ga2O3之間的清晰的、明確的、原子排列有序的、并具有II型能帶對(duì)齊的晶相異質(zhì)結(jié)，為研究Ga2O3/Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)提供了新的見(jiàn)解，并證明利用晶相異質(zhì)結(jié)可以極大促進(jìn)電子器件的發(fā)展。

具體研究?jī)?nèi)容

超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）因其超寬禁帶寬度、較高的電子遷移率以及高擊穿電場(chǎng)，正逐漸成為先進(jìn)電子器件（如日盲探測(cè)和高功率電子器件）的理想候選材料。氧化鎵表現(xiàn)出多種晶相，包括α、β、γ、δ、ε和κ相。其中，具有單斜結(jié)構(gòu)的β相氧化鎵因其熱力學(xué)穩(wěn)定性和襯底的可用性而最受關(guān)注?；谕庋应孪嘌趸壉∧さ纳钭贤馓綔y(cè)器、肖特基二極管及場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用已得到廣泛驗(yàn)證。近年來(lái)，研究通過(guò)金屬氧化物催化外延生長(zhǎng)，利用Sn作為催化劑成功誘導(dǎo)κ相氧化鎵的形成。這種方法生產(chǎn)的κ相氧化鎵薄膜表現(xiàn)出高質(zhì)量及卓越的器件性能。

與氧化鎵類似，許多材料本身也具有多種晶相，每種晶相都呈現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性。即使是相同材料的不同晶相，其物理和化學(xué)特性也可能因載流子遷移率、化學(xué)穩(wěn)定性及能帶結(jié)構(gòu)的差異而顯著變化。部分研究已報(bào)道了“晶相異質(zhì)結(jié)(Phase Heterojunction)”的成功構(gòu)建，即在同一材料的不同晶相之間形成的結(jié)。這些異質(zhì)結(jié)在多種應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著的性能提升，包括太陽(yáng)能電池、光催化、晶體管、水分解以及光電探測(cè)器。

因此，將不同Ga2O3晶相（α、β、γ、δ、ε和κ）集成以形成Ga2O3/Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)，可能通過(guò)各相之間帶隙或電子親和力的差異，產(chǎn)生獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)特性。一些研究通過(guò)對(duì)亞穩(wěn)相（如α相或γ相）退火以部分轉(zhuǎn)變?yōu)樽顭岱€(wěn)定的β相，從而形成Ga2O3/Ga2O3結(jié)，然而，但這些結(jié)通常為隨機(jī)分布的多晶混合晶相（mixed phase junctions），界面模糊且具有多種晶體取向，如圖1（a）所示。對(duì)于適合晶圓級(jí)別半導(dǎo)體制造及研究晶相界面的物理特性來(lái)說(shuō)，清晰的、明確的、原子排列有序的晶相異質(zhì)結(jié)（如圖1b）尤為重要，然而，由于兩種晶相間具有相似的化學(xué)計(jì)量比以及外延困難，這種晶相異質(zhì)結(jié)的研究長(zhǎng)期以來(lái)被忽視。該異質(zhì)結(jié)的形成對(duì)于需要高效光生載流子分離的各種電子和光電子應(yīng)用具有重要潛力。然而，目前關(guān)于Ga2O3異質(zhì)結(jié)的能帶排列的直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仍不明確，其電學(xué)性質(zhì)也因界面外延困難而未被研究。

圖1. 示意圖（a）已報(bào)道的混合晶相異質(zhì)結(jié)； (b) 本研究中界面清晰的β/κ-Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)

因此，在本研究中，我們展示了一種界面清晰的β/κ Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)，其具有II型能帶排列，形成耗盡區(qū)以高效分離電子-空穴對(duì)，并實(shí)現(xiàn)自供電的深紫外探測(cè)。圖2可以明顯看出，正交晶系κ-Ga2O3與單斜晶系β-Ga2O3的XRD圖譜存在顯著差異。通過(guò)SIMS測(cè)得的β相/κ相Ga2O3樣品中元素的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)Sn和Si的強(qiáng)度在β相和κ相Ga2O3界面處顯著增加。這一現(xiàn)象可歸因于在沉積κ相Ga2O3時(shí)使用的靶材（Ga2O3:SnO2:SiO2，98.4%:1.5%:0.1%，重量比）中含有Si和Sn的成分。Sn的引入具有雙重作用：一方面，在高真空環(huán)境下通過(guò)減少亞氧化物（Ga2O）的刻蝕促進(jìn)了Ga2O3的形成；另一方面，Sn占據(jù)了八面體晶格位置，從而促進(jìn)了κ相的合成。此外，由于Si在Ga2O3中具有兩性行為，特別是在κ相Ga2O3中，Si在κ-Ga2O3中作為受主（或補(bǔ)償劑）而非施主，從而導(dǎo)致κ相Ga2O3表現(xiàn)出高絕緣的特性。

圖2 . β相/κ相Ga2O3異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)

圖3 顯示了κ相Ga2O3與β相Ga2O3的高分辨率TEM圖像，清晰地揭示了原子排列及其清晰的界面（用藍(lán)色虛線曲線標(biāo)示）。圖3(c)提供了β相與κ相Ga2O3界面的放大圖，并疊加了原子模型。單斜晶系β相Ga2O3的晶體模型（空間群#12, C2/m）沿[-201]生長(zhǎng)方向與HR-TEM圖像中的晶格排列很好地匹配。對(duì)于κ相Ga2O3，正交晶系的晶體模型（空間群#33, Pna21沿[010]區(qū)軸也與HR-TEM圖案一致。界面清晰且通過(guò)原子模型準(zhǔn)確映射，展現(xiàn)了從κ相平滑過(guò)渡到β相的β/κ Ga2O3異質(zhì)結(jié).

XPS測(cè)試（圖4）揭示了β-Ga2O3/κ-Ga2O3異質(zhì)結(jié)的II型能帶對(duì)齊，其導(dǎo)帶和價(jià)帶偏移分別為0.71eV和0.65 eV，表明界面處存在強(qiáng)電場(chǎng)。這種界面電場(chǎng)能夠在無(wú)外加偏壓的情況下有效分離光生電子-空穴對(duì)。這種II型異質(zhì)結(jié)的一個(gè)有前景的應(yīng)用是檢測(cè)日盲深紫外信號(hào)，尤其是在自供電模式下。因此，所展示的II型單晶β-Ga2O3/κ-Ga2O3異質(zhì)結(jié)，由于其界面電場(chǎng)以及相似的吸收邊，可能在自供電DUV光探測(cè)方面表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。

與單個(gè)晶相Ga2O3光電探測(cè)器相比，晶相異質(zhì)結(jié)的光響應(yīng)度提升了約三個(gè)數(shù)量級(jí)。在零偏壓下，所展示的光電探測(cè)器的響應(yīng)度、開(kāi)關(guān)比、探測(cè)度、外量子效率以及上升/下降時(shí)間分別達(dá)到了17.8mA/W,580.8,1.69×1010Jones,9.2%,and 0.21/0.53秒，其性能優(yōu)于已報(bào)道的Ga2O3/Ga2O3混合相異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器。

圖4. XPS測(cè)試及能帶對(duì)齊

圖5. 在零偏壓下的光響應(yīng)光譜

圖6. β/κ-Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在不同偏壓下的光電流光譜

結(jié) 語(yǔ)

鑒于Ga2O3具有多種晶相（α、β、γ、δ、ε和κ），未來(lái)可通過(guò)構(gòu)建涉及不同Ga2O3相的各種異質(zhì)結(jié)進(jìn)一步研究其異質(zhì)結(jié)特性，并推動(dòng)電子器件應(yīng)用的發(fā)展。本研究中展示的κ/β Ga2O3異質(zhì)結(jié)為進(jìn)一步研究Ga2O3/Ga2O3晶相異質(zhì)結(jié)提供了新思路，開(kāi)啟了新的探索機(jī)會(huì)。未來(lái)，隨著更多晶相異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)的突破，超寬禁帶半導(dǎo)體Ga2O3材料有望在光電和電子技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)引領(lǐng)創(chuàng)新！