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【会员论文】厦门理工学院张弘鹏副教授团队：基于TiOₓ/β-Ga₂O₃、AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结的能带结构与能带带阶研究
日期：2026-07-13阅读：158
由厦门理工学院、西安理工大学、镓创未来半导体科技（晋江）有限公司、绍兴大学等研究团队在学术期刊ECS Journal of Solid State Science and Technology（2027年）发布一篇名为Band Offsets in TiOₓ/β-Ga₂O₃ and AgOₓ/β-Ga₂O₃ Heterojunctions（TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结的能带带阶研究）的文章。
背 景
β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为新兴的超宽禁带半导体材料，因其优异的物理特性与光学特性，在高功率电力电子器件和日盲深紫外光电探测应用领域展现出巨大潜力。钛基氧化物（TiOₓ）和银基氧化物（AgOₓ）是两类具有代表性的金属氧化物材料，TiO₂、Ag₂O先后报道应用于β-Ga₂O₃功率二极管和光电探测器以提升器件性能，尤其是AgOₓ/β-Ga₂O₃功率二极管和Ag₂O/β-Ga₂O₃光电探测器方案已展现出较好的器件性能，展现出巨大的潜力。
然而，TiOₓ和AgOₓ本身存在多种氧化物相和复杂的化学价态，其晶体结构、氧空位和能带带阶等均与制备工艺息息相关，目前缺乏系统研究。在设计和优化异质结器件前，必须首先精确地理解两种材料接触形成的界面能带结构（能带对齐），阐明制备工艺对TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃界面能带结构的影响。因此本团队在此前研究基础（AlSiO/β-Ga₂O₃，ZrSiO/β-Ga₂O₃ 的能带研究）上，探索TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结的能带对齐，为开发高性能β-Ga₂O₃电子器件提供实验启示和理论指导。
主要内容
本研究系统探究了新型TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结的薄膜质量、晶体结构、表面形貌、界面特性及能带带阶关系。本研究首先采用低压化学气相沉积技术（LPCVD）在蓝宝石衬底上制备β-Ga₂O₃薄膜，随后采用射频磁控溅射技术（RFPVD）制备了TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结样品。通过X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、紫外可见透射光谱等表征技术评估上述异质结的物理特性。
本文LPCVD制备的β-Ga₂O₃薄膜呈明显的β相衍射峰，有较好的结晶质量；TiOₓ主要为非晶态，且表面十分平整，RMS粗糙度低于0.3nm；相比之下，AgOₓ表面较粗糙，RMS均大于10nm，与Ag–O键能较弱、AgOₓ相组成复杂、可能形成的Ag/Ag₂O混合相有关。此外本文系统研究了不同Ar:O₂流量比对AgOₓ薄膜组成、结构及氧空位的影响。随Ar:O₂增加至1:0.7，AgOₓ中的氧含量增加，Ag:O原子比接近Ag₂O理想化学计量比，同时XRD显示Ag₂O相关衍射峰增强，金属Ag相减弱，结合XPS分峰拟合分析可说明，提高镀膜的氧分压有助于促进Ag₂O相形成、减少金属Ag残留、降低氧空位从而薄膜结晶质量。
创新点
采用XPS、XRD、AFM等技术首次对TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结进行系统的研究，探索研究了其晶体结构、表面形貌及界面特性。
首次通过实验精确地确定了TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结的能带结构并提取了具体的带阶参数，研究结果为氧化镓光电器件设计与优化提供了实验启示和理论指导。
结 论
采用LPCVD和RFPVD制备了TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结，实验发现提高镀膜的氧分压有助于促进Ag₂O相形成、减少金属Ag残留、降低氧空位从而薄膜结晶质量。
基于XPS技术精确测量了TiOₓ/β-Ga₂O₃和AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结的能带结构（对齐）。实验确定，TiOₓ/β-Ga₂O₃异质结形成I型能带对齐，其价带带阶ΔEV为-1.28eV，导带带偏ΔEC为-0.41eV，说明TiOₓ/β-Ga₂O₃难以阻挡载流子输运，TiOₓ只适合作β-Ga₂O₃二极管的中间层，不适于作为MOS电容的绝缘介质。AgOₓ/β-Ga₂O₃异质结有明显的II型（交错型）能带对齐。随AgOₓ的氧含量增加，AgOₓ/β-Ga₂O₃的价带带阶从0.56eV增加到0.87eV，导带带偏从-2.37eV降至-2.52eV。AgOₓ/β-Ga₂O₃较大的导带带阶和内建电势有利于促进光生电子和空穴的空间分离，从而提高光电探测器的响应度和光电转换效率。
项目支持
本研究得到国家自然科学基金（项目编号 62474139, 62404186）、厦门市自然科学基金项目（项目编号3502Z20227070）、厦门市科技计划项目（项目编号3502Z20221022）、厦门理工学院高层次人才启动项目（项目编号YKJ22049R）的资助，并感谢厦门火炬石墨烯新材料公共技术服务平台为本研究样品测试提供材料表征支持。
图1 β-Ga₂O₃, TiOₓ,和不同 AgOₓ薄膜的原子力显微镜图像。
图2 本文制备的(a) β-Ga₂O₃, TiOₓ, (b) AgOₓ薄膜的X射线衍射图像。
图3 基于X射线光电子能谱对采用不同Ar:O₂流量比制备的AgOₓ样品进行原子成键分析，(a-c)为O 1s核心能级XPS光谱图，(d-f)为Ag 3d核心能级XPS光谱图。
DOI:
doi.org/10.1149/2162-8777/ae840e
