
【国际论文】德国IKZ周大顺研究团队---基于MOVPE生长技术的β-Ga₂O₃薄膜原位反射率分析
日期:2025-03-21阅读:100
近期,由德国莱布尼茨晶体生长研究所的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 In-situ reflectance analysis of Si-doped β-Ga2O3 films grown by MOVPE: The influence of doping concentration and substrate conductivity(基于 MOVPE 生长技术的 β-Ga2O3 薄膜原位反射率分析)的文章。
项目资助信息
背景
β-Ga2O3 因其超宽带隙(约4.8 eV)和高击穿电场(高达8 MV/cm)而备受关注。金属有机气相外延(MOVPE)是一种常用的薄膜生长技术,具有均匀沉积和大规模生产的优势。为了优化薄膜质量和掺杂均匀性,原位监测技术在生长过程中起着关键作用。传统的薄膜表征方法通常需要在生长完成后进行,这可能导致在生长过程中无法及时发现问题,从而影响薄膜的质量和器件的性能。而原位监测技术能够在薄膜生长过程中实时获取关键参数,如薄膜厚度、生长速率、表面形貌和掺杂浓度等。通过实时反馈,研究人员可以及时调整生长条件,优化薄膜的质量和均匀性。
主要内容
本研究聚焦于利用原位反射率测量技术来监测 Si 掺杂 β-Ga2O3 薄膜在金属有机气相外延(MOVPE)生长过程中的动态变化,特别是掺杂浓度和衬底导电性对薄膜光学和电学性能的影响。以下是研究的主要内容:
1. 反射光谱中的干涉振荡模式
在薄膜生长过程中,研究人员通过原位反射率测量系统(Laytec EpiNet)实时监测了不同波长(405 nm、633 nm、950 nm)下的反射光谱。研究发现,反射光谱中出现了明显的干涉振荡模式,这些振荡模式与薄膜的生长速率和掺杂浓度密切相关。
● 干涉振荡的物理机制:这些振荡模式是由薄膜与衬底之间的折射率差异引起的,通常被称为 Fabry-Pérot 干涉。当光在薄膜和衬底之间多次反射时,会产生干涉效应,形成振荡模式。
● 振荡周期与生长速率:干涉振荡的周期与薄膜的生长速率直接相关。通过分析振荡周期,研究人员可以实时估计薄膜的生长速率。
● 振荡幅度与掺杂浓度:干涉振荡的幅度则与薄膜的掺杂浓度密切相关。随着掺杂浓度的增加,薄膜的折射率发生变化,导致干涉振荡的幅度增大。

图1: 不同掺杂浓度的 β-Ga2O3 薄膜在 950 nm 波长下的反射率信号
2. 掺杂浓度对折射率的影响
研究进一步探讨了 Si 掺杂浓度对 β-Ga2O3 薄膜折射率的影响。通过 Drude 模型,研究人员能够定量估计掺杂引起的折射率变化。
● Drude模型的应用:Drude 模型描述了自由载流子(如电子)对材料光学性质的影响。在高掺杂浓度下,自由载流子的浓度增加,导致材料的介电常数和折射率发生变化。
3. 衬底导电性的影响
研究还考察了衬底导电性对薄膜生长和光学性质的影响。实验中使用了两种不同类型的衬底:半绝缘衬底(Mg 掺杂)和导电衬底(Si 掺杂)。
● 半绝缘衬底 vs 导电衬底:在半绝缘衬底上生长的薄膜与衬底之间的折射率差异较小,导致干涉振荡不明显。而在导电衬底上生长的薄膜,由于衬底与薄膜之间的折射率差异较大,干涉振荡更加显著。
4. Burstein-Moss 效应与等离子体效应
研究还深入分析了 Burstein-Moss 效应和等离子体效应对折射率变化的贡献。
● Burstein-Moss 效应:随着掺杂浓度的增加,导带中的电子填充导致吸收边向高能方向移动(即 Burstein-Moss 位移),进而引起折射率的微小变化。然而,在 β-Ga2O3 中,由于电子的有效质量较大,Burstein-Moss 效应对折射率的影响相对较小。
5. 理论模拟与实验验证
结论
本研究通过原位反射率测量技术,系统研究了 Si 掺杂 β-Ga2O3 薄膜在 MOVPE 生长过程中的动态变化。研究发现,反射光谱中的干涉振荡模式与薄膜的生长速率和掺杂浓度密切相关,且衬底导电性对薄膜的光学性质有显著影响。通过 Drude 模型和传输矩阵法,研究人员能够定量估计掺杂引起的折射率变化,并验证了原位反射率测量技术在薄膜生长监测中的有效性。这一研究为 β-Ga2O3 薄膜的生长优化和器件应用提供了重要的理论和技术支持。