【国际论文】具有优异电输运性能的p型β-Ga₂O₃同质外延薄膜

        由法国巴黎萨克雷大学的研究团队在学术期刊 Advanced Photonics Research 发布了一篇名为 p-Type β-Ga₂O₃ Homoepitaxial Films with Superior Electrical Transport Properties（具有优异电输运性能的 p 型 β-Ga₂O₃ 同质外延薄膜）的文章。

        为实现任何基于超宽禁带（UWBG）半导体的新兴电子技术的完整功能，必须同时获得 n 型和 p 型电导特性（即双极性）。直到最近，氧化镓双极性技术的一个瓶颈在于缺乏在室温下具有高电导性的稳健的p型同质外延层。这一障碍导致相关异质结构主要依赖多晶 p-NiO 作为 p 型氧化物。值得强调的是，在利用 MOCVD、MOVPE、LPCVD、HVPE 和 MBE 等方法，在（–201）、（100）、（010）和（001）取向衬底上生长高质量 n 型同质外延 β-Ga₂O₃ 薄膜方面已取得重要进展。然而，氧化镓同质 p-n 结的实现仍寥寥无几。为高效应对 p-n 同质结实现的迫切需求，首要的一步是生长在室温或接近室温下具有可测空穴电导的高质量 p 型 β-Ga₂O₃ 层。

        本研究展示了在（–201）和（010）取向氧化镓衬底上生长的高结构质量未掺杂 p 型 β-Ga₂O₃ 外延层，并表现出显著的电输运特性。其中，（010）取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜在 370 K 时展现出优异的高空穴浓度和迁移率，这不仅为同质结的制备开辟了新路径，同时揭示了与晶体取向相关的电学各向异性特征。这些发现对于实现 p-n 同质结至关重要，而 p-n 同质结则是广泛电力电子和光电子器件的核心构建单元。

        本工作报道了通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在 (010) 和 (–201) 取向衬底上生长的 β-Ga₂O₃ 同质外延薄膜，表现出高结构质量和优异的电输运性能。(010) β-Ga₂O₃ 样品的迁移率可达 69.4 cm²·V^-1·s^-1，空穴浓度在 370–700 K 范围内稳定约为 2.4 × 10¹⁷ cm^-3。通过 XRD、AFM 和 STEM 等结构与形貌研究证实了其高外延质量、无明显延伸缺陷且应变极低。同时生长的 (–201) β-Ga₂O₃ 薄层表现出典型的 p 型 β-Ga₂O₃ 特性，并观测到深能级缺陷。在 420–700 K 范围内测得空穴迁移率为 26–36 cm²·V^-1·s^-1。(010) 与 (–201) 取向的对比显示了明显各向异性的电学特性。研究结果强调了 β-Ga₂O₃ 中空穴的自由运动特性以及晶体取向的关键作用。

        本工作展示了通过 MOCVD 同时生长的 β-Ga₂O₃ (010) 和 (–201) 薄层表现出 p 型导电性，并具有明显的各向异性电输运特性，这一特性与衬底的晶体取向密切相关。测量结果表明，(–201) 薄层表现出典型的 p 型 β-Ga₂O₃ 特性，同时存在深能级缺陷。在 420–700 K 温度范围内，该层的空穴迁移率为 26–36 cm²·V^-1·s^-1。相比之下，(010) 层在 370 K 时表现出高自由空穴浓度（2.4 × 10¹⁷ cm^-3）以及高迁移率（69.4 cm²·V^-1·s^-1）。结构与成分分析确认，这两种取向衬底上生长的薄层均具有高晶体质量，且不存在外源杂质和明显延伸缺陷。

图 1 同质外延生长的 (–201) β-Ga₂O₃ 样品的电输运特性：a) 随温度变化的电阻率；b）500 K 时霍尔电压随外加磁场的变化；c）霍尔空穴浓度；d）空穴迁移率随温度的变化。(a) 和 (c) 的插图为电导率和空穴浓度的阿伦尼乌斯作图，用于分别确定电导率和载流子浓度的激活能。

图 2. 同质外延生长的β-Ga₂O₃（010）样品的电输运特性：a）电阻率随温度的变化；b）500 K 时霍尔电压随外加磁场的变化；c）霍尔空穴浓度与 d）霍尔空穴迁移率随温度的变化。

图 3. a）同质外延的β-Ga₂O₃（010）薄膜的X 射线反射率（红色）与单独衬底的扫描（蓝色）对比；b）同质外延的β-Ga₂O₃（010）薄膜的X 射线衍射（红色）与单独衬底的扫描（蓝色）对比。图（a）中 σ：表面粗糙度；图（b）中插图：020 反射的摇摆曲线，其中 Δω 是入射角 θ/2θ 的偏差。c-e）：在三个不同尺度下拍摄的表面 AFM 图像，总体均方根为 2.3 nm。

图 4. 为同质外延的 β-Ga₂O₃（010）薄膜（蓝色）和衬底（黑色）的拉曼光谱。

图 5. 为在（010）Ga₂O₃ 衬底上生长的 Ga₂O₃ 外延层的 STEM 分析，[001] 区轴：a）覆盖层和衬底区域的低倍率 HAADF 图像，b）界面处的 HAADF 图像，c）层内原子级分辨率的 HAADF 图像（插图中，箭头指示的额外亮点细节），d）β-Ga₂O₃ 沿 [001] 区轴观察到的 Ga（绿色原子）和 O（红色原子）晶格的 Carine 模拟。

DOI：

doi.org/10.1002/aelm.202500190