【国际论文】德国IKZ周大顺研究团队---基于MOVPE生长技术的β-Ga₂O₃薄膜原位反射率分析

        β-Ga₂O₃ 因其超宽带隙（约4.8 eV）和高击穿电场（高达8 MV/cm）而备受关注。金属有机气相外延（MOVPE）是一种常用的薄膜生长技术，具有均匀沉积和大规模生产的优势。为了优化薄膜质量和掺杂均匀性，原位监测技术在生长过程中起着关键作用。传统的薄膜表征方法通常需要在生长完成后进行，这可能导致在生长过程中无法及时发现问题，从而影响薄膜的质量和器件的性能。而原位监测技术能够在薄膜生长过程中实时获取关键参数，如薄膜厚度、生长速率、表面形貌和掺杂浓度等。通过实时反馈，研究人员可以及时调整生长条件，优化薄膜的质量和均匀性。

        本研究聚焦于利用原位反射率测量技术来监测 Si 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜在金属有机气相外延（MOVPE）生长过程中的动态变化，特别是掺杂浓度和衬底导电性对薄膜光学和电学性能的影响。以下是研究的主要内容：

        1. 反射光谱中的干涉振荡模式

        在薄膜生长过程中，研究人员通过原位反射率测量系统（Laytec EpiNet）实时监测了不同波长（405 nm、633 nm、950 nm）下的反射光谱。研究发现，反射光谱中出现了明显的干涉振荡模式，这些振荡模式与薄膜的生长速率和掺杂浓度密切相关。

        ●    干涉振荡的物理机制：这些振荡模式是由薄膜与衬底之间的折射率差异引起的，通常被称为 Fabry-Pérot 干涉。当光在薄膜和衬底之间多次反射时，会产生干涉效应，形成振荡模式。

        ●    振荡周期与生长速率：干涉振荡的周期与薄膜的生长速率直接相关。通过分析振荡周期，研究人员可以实时估计薄膜的生长速率。

        ●    振荡幅度与掺杂浓度：干涉振荡的幅度则与薄膜的掺杂浓度密切相关。随着掺杂浓度的增加，薄膜的折射率发生变化，导致干涉振荡的幅度增大。

图1: 不同掺杂浓度的 β-Ga₂O₃ 薄膜在 950 nm 波长下的反射率信号

        2. 掺杂浓度对折射率的影响

        研究进一步探讨了 Si 掺杂浓度对 β-Ga₂O₃ 薄膜折射率的影响。通过 Drude 模型，研究人员能够定量估计掺杂引起的折射率变化。

        ●    Drude模型的应用：Drude 模型描述了自由载流子（如电子）对材料光学性质的影响。在高掺杂浓度下，自由载流子的浓度增加，导致材料的介电常数和折射率发生变化。

        3. 衬底导电性的影响

        研究还考察了衬底导电性对薄膜生长和光学性质的影响。实验中使用了两种不同类型的衬底：半绝缘衬底（Mg 掺杂）和导电衬底（Si 掺杂）。

        ●    半绝缘衬底 vs 导电衬底：在半绝缘衬底上生长的薄膜与衬底之间的折射率差异较小，导致干涉振荡不明显。而在导电衬底上生长的薄膜，由于衬底与薄膜之间的折射率差异较大，干涉振荡更加显著。

        4. Burstein-Moss 效应与等离子体效应

        研究还深入分析了 Burstein-Moss 效应和等离子体效应对折射率变化的贡献。

        ●    Burstein-Moss 效应：随着掺杂浓度的增加，导带中的电子填充导致吸收边向高能方向移动（即 Burstein-Moss 位移），进而引起折射率的微小变化。然而，在 β-Ga₂O₃ 中，由于电子的有效质量较大，Burstein-Moss 效应对折射率的影响相对较小。

        5. 理论模拟与实验验证

        本研究通过原位反射率测量技术，系统研究了 Si 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜在 MOVPE 生长过程中的动态变化。研究发现，反射光谱中的干涉振荡模式与薄膜的生长速率和掺杂浓度密切相关，且衬底导电性对薄膜的光学性质有显著影响。通过 Drude 模型和传输矩阵法，研究人员能够定量估计掺杂引起的折射率变化，并验证了原位反射率测量技术在薄膜生长监测中的有效性。这一研究为 β-Ga₂O₃ 薄膜的生长优化和器件应用提供了重要的理论和技术支持。