【外延论文】氮退火处理对原子层沉积制备 β-Ga₂O₃ 晶体结构和能带排列的影响

        由中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队在学术期刊 Ceramics International 发布了一篇名为 Effect of nitrogen annealing treatment on the crystal structure and band alignment of atomic layer deposition deposited β-Ga₂O₃（氮退火处理对原子层沉积制备 β-Ga₂O₃ 晶体结构和能带排列的影响）的文章。

摘要

        本研究首次采用原子层沉积（ALD）方法在蓝宝石（0001）衬底上沉积了（400）取向的多晶 β-Ga₂O₃ 薄膜，并在 600–1200 °C 的氮气（N₂）气氛中进行了退火处理。系统研究了退火温度对该（400）取向 Ga₂O₃ 薄膜的晶体结构、化学成分、缺陷态及光学性质的影响。原子力显微镜（AFM）图像表明，随着退火温度的升高，晶粒尺寸与表面粗糙度逐渐增大。X 射线衍射（XRD）结果显示，（400）衍射峰在退火后显著增强，并在 1000 °C 达到最优强度。X射线光电子能谱（XPS）分析显示，在退火温度达到 800–1000 °C 时，氧空位（V_O）浓度明显减少，氮原子占据氧空位进一步降低了 V_O 浓度，在 1000 °C 时薄膜结晶度最优，对应的晶格氧比例（O_L/(O_L + O_NL)）达到 80.52%。通过 XPS 与紫外–可见光谱（UV–vis）测量提取出能带结构，结果表明，随着退火的进行，材料的带隙从 4.80 eV 增加到 5.53 eV，价带顶（VBM）从 2.5 eV 降低到 1.97 eV。密度泛函理论（DFT）模拟进一步阐明了由 V_O 变化和氮填充 V_O 所引起的能带偏移机制，揭示了氮气退火中缺陷钝化的机理。本研究对氮气退火机制进行了深入探讨，为进一步制备高质量 Ga₂O₃ 薄膜及其在高性能器件中的应用提供了理论指导与参考。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.04.296