【会员论文】浙江大学杭州国际科创中心杨德仁院士、张辉教授、金竹研究员团队：垂直布里奇曼法生长的2英寸β-Ga₂O₃晶体的光学特性

        本研究得到中国国家重点研发计划（2024YFE0205300）、浙江省尖兵、领雁研发计划（2023C01193）、国家自然科学基金（22205203）、 浙江省自然科学基金（LZ25E070001），杭州市高层次青年人才支持计划及创新创业领军团队引进计划（TD2022012）。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和优异的物理特性，在功率电子器件和日盲紫外探测器领域具有巨大潜力。实现这些器件的工业化和低成本制造，前提是能够生产大尺寸、高质量、高均匀性的 β-Ga₂O₃ 单晶衬底。垂直布里奇曼（VB）法是一种极具前景的晶体生长技术，它相比传统的提拉法（Cz）或导模法（EFG）具有成本更低、工艺更简单的优势。然而，目前对于通过 VB 法生长的大尺寸 β-Ga₂O₃ 晶体的光学特性，特别是其在整个晶锭和晶片范围内的均匀性，还缺乏系统性的研究。

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽带隙半导体（带隙 4.8 eV，击穿电场 8 MV cm⁻¹），对高压电子学至关重要。本研究采用垂直布里奇曼法（VB 法）结合 Pt–Rh 坩埚，成功生长出 2 inch <010> 取向单晶（含无意掺杂及 Sn/Fe 掺杂样品），有效解决了传统技术的成本与可扩展性问题。X 射线衍射显示样品具有高结晶度（半高全宽约 20 角秒，变异率 ≤ 7%）。锡掺杂样品通过 Ga 空位介导扩散展现出均匀电阻率（2 × 10⁻² Ω·cm）。光谱分析表明：被动 Rh 掺杂行为使带隙扩展 0.05-0.09 eV，吸收阈值达 2.9 eV，同时使费米能级与价带顶点间距缩小 0.34 eV。该 VB 技术为工业化生产高质量 β-Ga₂O₃ 衬底提供了可扩展、低成本的途径，其对 Rh 掺杂效应的关键性认识，将推动 p 型导电性策略及新一代功率器件应用的发展。

        •通过自主研发的VB法生长工艺，获得了高质量 2 inch β-Ga₂O₃ 晶圆片。该晶圆片在 Rh 掺杂浓度、电阻率、膜厚方面都表现出较好的均一性。

        •首次探究了 Rh 非故意掺杂对 β-Ga₂O₃ 电子能态构型和光学特性的影响。相较于不含 Rh 的铸造片，在 VB 片中发现了新的能级，位于 VBM 上方约 2.9eV 处。该能级使得 VB 片表现出独特的受光强响应的辐射跃迁机制。此外，Rh 的引入还使得 β-Ga₂O₃ 的 VBM 向上移动，这表明 Rh 能级的耦合过程有可能参与价带顶的重构，这也意味着在外延中重掺 Rh 可能改变氧化镓价带顶过于平坦的难题，对研发 p 型 β-Ga₂O₃ 起到了一定的启发作用。

        本研究通过生长均匀、高质量（约 20 角秒全宽半高）的 UID 和锡掺杂衬底，进一步发展了 2 inch {010} VB 法，其电阻率分别为 0.1686 和 0.020 16 Ω·cm。随后，通过实验研究了 Rh 掺杂对 β-Ga₂O₃ 化学能级与电子能级构型的影响：首先，Rh 掺杂（160 ppm wt%）未导致化学计量比的明显变化；其次，与铸造衬底相比，VB 法衬底中 O1s 和 Ga 2p 核心能级的能级发生蓝移，且 V_O 值有所降低； 第三，通过透射光谱衍生的 Tauc 图分析发现，Rh 会使带隙轻微增大约 0.09 eV，这与 β-(Rh_xGa_1–x)₂O₃ 的第一性原理计算结果存在差异，表明掺杂与合金化机制不同。此外，我们推测透射光谱中额外的吸收阈值源于位于 CBM 下方 2.9 eV 处的 Rh 能级。最后，价带 XPS 谱表明 Rh 掺杂倾向于缩小费米能级与 VBM 之间的间隙。通过在外延层掺入更高浓度的 Rh，由 Rh 与 O 能级耦合构筑的新型价带本征能级可能显著靠拢，从而实现 p 型能带结构。这些发现深化了对 Rh 介导电子结构调控的认识，为 p 型 β-Ga₂O₃ 材料及工业规模功率器件应用铺平道路。

图1. VB 法生长抛光的 2 inch (a) UID和 (d) Sn 掺杂 {010} β-Ga₂O₃ 衬底，配以对应的 (b)、(e) 电阻率 (Ω·cm) 面内分布图及 (c)、(f) 020 衍射摇摆曲线全宽半高值图。

图2. 分别显示 (a)、(b) 未掺杂 VB 样品，(c)、(d) 掺杂 Fe 的 VB 样品，(e)、(f)掺杂 Sn 的 VB 样品，以及 (g)、(h) 未掺杂 β-Ga₂O₃ 样品的 O 1s 和 Ga 2p 峰 XPS 光谱。拟合结果以彩色填充显示。

图3. 不同掺杂条件下 (a) (010) VB、(100) VB 及 (b) (100) 铸造 β-Ga₂O₃ 衬底的紫外-可见-红外透射光谱。

图4. UID VB 与铸造 β-Ga₂O₃ 样品在室温下的发光光谱，由 266 nm 激光激发，入射光强度分别为 0.1%、3.2%、5% 或 10%（图例所示）。图 (a) 中 600 nm 至 900 nm 的局部范围在图(b)中被突出显示。测试了两种晶体取向：(100) 和 (010)，结果分别展示于 (a)、(b) 和 (c) 图。(d) 低强度 (情景I) 与高强度 (情景II) 激发光源下能带中载流子跃迁的假设场景。蓝色圆点代表电子。

图5. 采用 VB 法和浇铸法生长于 (100) 衬底上的价带 XPS 光谱。彩色区块（粉色和橙色）代表能带图。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/ae0e47