关于超宽禁带氧化镓晶相异质结的新研究

【研究梗概】

在科技的快速发展中，超宽禁带半导体材料逐渐成为新一代电子与光电子器件的研究热点。而在近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）先进半导体实验室一项关于超宽禁带氧化镓（Ga2O3）晶相异质结（Phase Heterojunction）的新研究发表在《Advanced Materials》上。论文第一作者为陆义博士。文章首次在实验中展示了β相和κ相Ga2O3之间的清晰的、明确的、原子排列有序的、并具有II型能带对齐的晶相异质结，为研究Ga2O3/Ga2O3晶相异质结提供了新的见解，并证明利用晶相异质结可以极大促进电子器件的发展。

【具体研究内容】

超宽禁带半导体氧化镓（Ga2O3）因其超宽禁带宽度、较高的电子迁移率以及高击穿电场，正逐渐成为先进电子器件（如日盲探测和高功率电子器件）的理想候选材料。氧化镓表现出多种晶相，包括α、β、γ、δ、ε和κ相。其中，具有单斜结构的β相氧化镓因其热力学稳定性和衬底的可用性而最受关注。基于外延β相氧化镓薄膜的深紫外探测器、肖特基二极管及场效应晶体管的应用已得到广泛验证。近年来，研究通过金属氧化物催化外延生长，利用Sn作为催化剂成功诱导κ相氧化镓的形成。这种方法生产的κ相氧化镓薄膜表现出高质量及卓越的器件性能。

与氧化镓类似，许多材料本身也具有多种晶相，每种晶相都呈现出独特的结构特性。即使是相同材料的不同晶相，其物理和化学特性也可能因载流子迁移率、化学稳定性及能带结构的差异而显著变化。部分研究已报道了“晶相异质结(Phase Heterojunction)”的成功构建，即在同一材料的不同晶相之间形成的结。这些异质结在多种应用中表现出显著的性能提升，包括太阳能电池、光催化、晶体管、水分解以及光电探测器。

因此，将不同Ga2O3晶相（α、β、γ、δ、ε和κ）集成以形成Ga2O3/Ga2O3晶相异质结，可能通过各相之间带隙或电子亲和力的差异，产生独特的异质结特性。一些研究通过对亚稳相（如α相或γ相）退火以部分转变为最热稳定的β相，从而形成Ga2O3/Ga2O3结，然而，但这些结通常为随机分布的多晶混合晶相（mixed phase junctions），界面模糊且具有多种晶体取向，如图1（a）所示。对于适合晶圆级别半导体制造及研究晶相界面的物理特性来说，清晰的、明确的、原子排列有序的晶相异质结（如图1 b）尤为重要，然而，由于两种晶相间具有相似的化学计量比以及外延困难，这种晶相异质结的研究长期以来被忽视。该异质结的形成对于需要高效光生载流子分离的各种电子和光电子应用具有重要潜力。然而，目前关于Ga2O3异质结的能带排列的直接实验验证仍不明确，其电学性质也因界面外延困难而未被研究。

图1. 示意图（a）已报道的混合晶相异质结；

(b) 本研究中界面清晰的β/κ-Ga2O3晶相异质结

因此，在本研究中，我们展示了一种界面清晰的β/κ Ga2O3晶相异质结，其具有II型能带排列，形成耗尽区以高效分离电子-空穴对，并实现自供电的深紫外探测。图2可以明显看出，正交晶系κ-Ga2O3与单斜晶系β-Ga2O3的XRD图谱存在显著差异。通过SIMS测得的β相/κ相Ga2O3样品中元素的分布情况，可以发现Sn和Si的强度在β相和κ相Ga2O3界面处显著增加。这一现象可归因于在沉积κ相Ga2O3时使用的靶材（Ga2O3:SnO2:SiO2，98.4%:1.5%:0.1%，重量比）中含有Si和Sn的成分。Sn的引入具有双重作用：一方面，在高真空环境下通过减少亚氧化物（Ga2O）的刻蚀促进了Ga2O3的形成；另一方面，Sn占据了八面体晶格位置，从而促进了κ相的合成。此外，由于Si在Ga2O3中具有两性行为，特别是在κ相Ga2O3中，Si在κ-Ga2O3中作为受主（或补偿剂）而非施主，从而导致κ相Ga2O3表现出高绝缘的特性。

图2 . β相/κ相Ga2O3异质结生长

图3 显示了κ相Ga2O3与β相Ga2O3的高分辨率TEM图像，清晰地揭示了原子排列及其清晰的界面（用蓝色虚线曲线标示）。图3(c)提供了β相与κ相Ga2O3界面的放大图，并叠加了原子模型。单斜晶系β相Ga2O3的晶体模型（空间群#12, C2/m）沿[-201]生长方向与HR-TEM图像中的晶格排列很好地匹配。对于κ相Ga2O3，正交晶系的晶体模型（空间群#33, Pna21沿[010]区轴也与HR-TEM图案一致。界面清晰且通过原子模型准确映射，展现了从κ相平滑过渡到β相的β/κ Ga2O3异质结.

XPS测试 （图4）揭示了β-Ga2O3/κ-Ga2O3异质结的II型能带对齐，其导带和价带偏移分别为0.71 eV和0.65 eV，表明界面处存在强电场。这种界面电场能够在无外加偏压的情况下有效分离光生电子-空穴对。这种II型异质结的一个有前景的应用是检测日盲深紫外信号，尤其是在自供电模式下。因此，所展示的II型单晶β-Ga2O3/κ-Ga2O3异质结，由于其界面电场以及相似的吸收边，可能在自供电DUV光探测方面表现出更优越的性能。

与单个晶相Ga2O3光电探测器相比，晶相异质结的光响应度提升了约三个数量级。在零偏压下，所展示的光电探测器的响应度、开关比、探测度、外量子效率以及上升/下降时间分别达到了17.8 mA/W, 580.8, 1.69×1010Jones, 9.2%, and 0.21/0.53 s秒，其性能优于已报道的Ga2O3/Ga2O3混合相异质结光电探测器。

图4. XPS测试及能带对齐

图5. 在零偏压下的光响应光谱

图6. β/κ-Ga2O3晶相异质结光电探测器在不同偏压下的光电流光谱

【结语】

鉴于Ga2O3具有多种晶相（α、β、γ、δ、ε和κ），未来可通过构建涉及不同Ga2O3相的各种异质结进一步研究其异质结特性，并推动电子器件应用的发展。本研究中展示的κ/β Ga2O3异质结为进一步研究Ga2O3/Ga2O3晶相异质结提供了新思路，开启了新的探索机会。未来，随着更多晶相异质结设计的突破，超宽禁带半导体Ga2O3材料有望在光电和电子技术领域持续引领创新！