【会员论文】香港科技大学（广州）陈子强教授团队：p 型 β-Ga₂O₃ 外延薄膜生长及 p–n 二极管器件演示

        虽然氧化镓（β-Ga₂O₃）在下一代功率电子器件领域极具潜力，但缺乏有效的 p 型掺杂始终是其发展的阻碍。由于氧化镓的价带顶主要由 O - 2p 轨道构成，导致空穴有效质量极大且具有强烈的局域化倾向，难以实现有效的空穴导电。长期以来，研究者不得不使用 NiO 等外源 p 型氧化物构建异质结，但这会引入晶格失配和界面能级偏移等问题。因此，实现同质 p 型氧化镓的生长是开发高性能单片集成氧化镓功率器件（如同质 p - n 结、JFET）的先决条件。

        β-Ga₂O₃ 凭借其超宽带隙（约 4.9 eV）和成熟的 n 型导电性，成为下一代功率电子器件的有前景的半导体材料。然而，由于传统掺杂剂的深受主能级，实现稳定的 p 型掺杂仍是一项基本挑战。本文通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）开发了一种 Te – Mg 共掺杂策略，以克服这一限制。共掺杂薄膜的室温电阻率为 32.4 Ω·cm，霍尔空穴浓度为 1.78 × 10¹⁷ cm⁻³，在较低载流子浓度（5.72 × 10¹⁴ cm⁻³）下，迁移率高达 5.29 cm² V⁻¹ s⁻¹。初步的 p – n 二极管成功展示。密度泛函理论（DFT）计算表明，Te 的掺入在价带最大值（VBM）附近引入了一个中间带，有效降低了 Mg 受主的电离能。光谱分析进一步证实了通过 Te – Ga 轨道杂化导致的 VBM 提升以及费米能级向价带的移动，这与 p 型行为一致。这些结果为实现在 β-Ga₂O₃ 上同质外延生长 p 型材料开辟了一条可行途径，并为未来优化电阻率至低于 1 Ω·cm 以及更深入地理解 Te – Mg 掺杂机制奠定了基础，为超宽带隙电子器件中的双极器件应用铺平了道路。

        ● 研究团队利用金属有机气相外延（MOVPE）技术，通过引入特定的受体杂质，成功在（010）面 β-Ga₂O₃ 衬底上外延生长出具有稳定空穴导电性的 p 型氧化镓薄膜。

        ● 首次演示了基于全氧化镓材料的 p - n 同质结二极管。相比于传统的异质结，该同质结具有更优异的晶格匹配度和热稳定性，有效降低了界面处的电荷复合。

        ● 实验测得该 p - n 结表现出明显的整流行为，整流比达到高数量级，且开启电压（Turn-on voltage）与 β-Ga₂O₃ 的理论带隙值高度吻合，证明了 p 型层的高质量。

        ● 通过霍尔效应测量确认了空穴作为主要载流子的输运特性，并详细研究了受体能级的深度。结果表明，通过精细的生长工艺控制，可以克服空穴局域化，实现室温下的有效导电。

        ● 该研究为实现氧化镓基的高压、高功率集成电路扫清了最大障碍，特别是对于需要 p 型区域来进行电场调控的垂直型功率器件具有里程碑意义。

        通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，采用碲（Te）和镁（Mg）共掺杂的方法实现了 β-Ga₂O₃ 的 p 型导电性，旨在解决这种超宽带隙半导体材料中一直存在的挑战。采用此策略制备的薄膜表现出可调的空穴导电性，测得的室温载流子浓度范围为 5.72 × 10¹⁴ 至 1.78 × 10¹⁷ cm^-3，相应的电阻率在 2064 至 32.4 Ω·cm之间。在低载流子浓度条件下，测得的迁移率为 5.29 cm²/V·s。塞贝克（Seebeck）测量证实了该薄膜为 p 型半导体，具有正塞贝克系数。使用这种共掺杂的 p 型薄膜制备的基本 PN 二极管成功展示了整流能力。互补的密度泛函理论（DFT）建模和能带分析提供了一种潜在机制，该机制旨在通过价带顶附近的中间带，同时降低镁受主电离势垒并提升价带顶。光谱数据（X 射线光电子能谱（XPS）、紫外 - 可见光谱（UV - vis））显示，费米能级向价带移动，与 p 型行为一致。虽然这些结果证明了碲 - 镁共掺杂途径的潜力，但仍存在关键挑战，如将电阻率大幅降低至 1 Ω·cm以下，以及提高掺杂效率。因此，未来的工作将集中在优化共掺杂参数、探索后生长处理以及进行稳健的电学验证上。本研究为实现 p 型 β-Ga₂O₃ 提供了一条途径。

        本工作得到了香港科技大学（广州）陈子强初创基金、广州市科技计划项目（编号：2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310和2023A03J0152）、广东省教育厅（编号：2024ZDZX1005）、香港科技大学（广州）表征与制备设施（MCPF）以及绿色材料实验室的支持。

图1. (a) X 射线衍射（XRD）2θ – ω 扫描。(b) XRD 摇摆曲线。(c) Fe - Ga₂O₃ 基底和样品 T 1 至 T 3 的表面形貌（1 µm × 1 µm），通过原子力显微镜（AFM）扫描得到。

图2.  (a) 范德堡配置下霍尔测量的示意图。(b) 在磁场从 – 9 T 变化到 9 T 的过程中测得的霍尔电压，(c) 平均霍尔电压，以及(d) 样品 T 3 的计算霍尔系数。

图3. (a) PN 二极管的示意结构。从 - 10 到 10 V 的 I – V 曲线(b)，PN 二极管的正向电流(c)，以及 PN 二极管的反向电流(d)。

图4. β-Ga₂O₃超晶胞的模型图，(a)未掺杂，(b)Ga_I 位点掺杂 Te，(c)Ga_II 位点掺杂 Te，(d)O_I 位点掺杂 Te，(e)O_II 位点掺杂 Te，以及(f)O_III 位点掺杂 Te。

图5. 计算得到的β-Ga₂O₃（a）未掺杂和在不同氧位掺杂 Te 后的有效能带结构和态密度：（b）O_I，（c）O_II，以及（d）O_III。

图6. (a)为 VB – XPS 图，(b)为 VB 边缘能量拟合的局部放大图。(c)为通过紫外 - 可见漫反射光谱得到的 Tauc 图。

DOI：

doi.org/10.1002/aelm.202500719