【衬底论文】熔融法生长 β-Ga₂O₃ 单晶中的微观偏析现象及相关光谱信号研究

        高温稳定的超宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 因优异的光电和功率特性，在新一代高功率电子器件和深紫外探测领域受到广泛关注。熔融法生长可实现大尺寸单晶的制备，但同时带来杂质偏析与组分非均匀等问题，限制了器件性能的进一步提升。近期，美国华盛顿州立大学 John S. McCloy 研究团队采用拉曼光谱、光致发光和激光剥蚀质谱等手段，系统揭示了熔融法生长 β-Ga₂O₃ 晶体中的 Ir、Cr 等杂质的微观偏析行为及其光谱响应机制，解释了杂质协同掺杂、费米能级调控与局域电学性质之间的耦合关系。相关研究成果以“Micro-segregation phenomena and related spectroscopic signals in melt-grown β-Ga₂O₃ single crystals”为题发表在 Journal of Applied Physics 上。

摘要

        相较于现有的宽禁带半导体，β-Ga₂O₃ 的主要优势在于可通过熔体直接生长。采用 Czochralski 法或类似方法的生长晶体过程中，往往会引入来自坩埚的杂质元素，如 Ir 及其他过渡金属元素（如 Cd、Cr）。这些杂质元素呈现出特征性的光电响应信号，既可用于杂质的识别，又对晶体的费米能级敏感，即其光谱特征会随母体材料电导率的变化而改变。本研究展示了如何利用激光拉曼系统对 Cr³⁺ 的光致发光、Ir⁴⁺ 的 d-d 内部跃迁耦合拉曼散射信号及与氢类浅施主有关的拉曼谱线进行空间映射与相关性分析。通过激光烧蚀-感应耦合等离子体质谱进一步对金属杂质的相对空间分布进行直接测量，结果验证了由杂质浓度不均所引起的光谱响应差异。因此，本文表明光致发光与拉曼信号的空间映射是一种有效且简便的方法，可用于对熔体生长的 β-Ga₂O₃ 晶体（无论是绝缘型还是导电型）中的化学组分不均匀性进行空间分辨分析。

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0229858