【国际论文】等离子体增强化学气相沉积高电阻率掺锌β-Ga₂O₃薄膜的结构及电导性能

        由俄罗斯下诺夫哥罗德州立大学的研究团队在学术期刊 Micromachines 发布了一篇名为 Structural and Electrically Conductive Properties of Plasma-Enhanced Chemical-Vapor-Deposited High-Resistivity Zn-Doped β-Ga₂O₃ Thin Films（等离子体增强化学气相沉积高电阻率掺锌 β-Ga₂O₃ 薄膜的结构及电导性能）的文章。

        尽管理论上有相应的预测，但实际上通过 Zn 掺杂 Ga₂O₃ 并未获得 p 型导电性。后来研究表明，Zn 在 Ga₂O₃ 中表现为深受主，会补偿材料生长过程中形成的微小施主缺陷能级，从而导致 Ga₂O₃ 电阻率升高。因此，利用 PECVD 并采用相同前驱体和设备，可以在 Ga–Zn–O 系统中制备高电导率与低电导率的薄层。本工作聚焦于利用 PECVD 技术（前驱体经过预纯化）沉积 Zn 掺杂的 Ga₂O₃ 薄膜，并研究其结构及电导性能。这是首次通过 PECVD 技术（对 Ga 和 Zn 前驱体进行预纯化）沉积 Ga₂O₃:Zn 薄膜，并展示了该技术的优势。事实证明，PECVD 及其各类改进方法具有可扩展性、高重现性、易自动化及实施简便的特点，因此在薄半导体膜的工业化制备及各类应用中得到广泛使用。

        本工作开发了一种等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备 β-Ga₂O₃:Zn 薄膜的方法，并可对前驱体进行预纯化。对 β-Ga₂O₃:Zn 薄膜的结构和电导特性进行了研究。随着 Zn 源温度（T_Zn）的升高至 220 °C，生成的 Ga₂O₃ 薄膜中 Zn 浓度为 4 at.%；当 T_Zn = 230 °C 时，[Zn] = 6 at.%；T_Zn = 235 °C 时，[Zn] = 8 at.%。在 T_Zn = 23 °C 时，薄膜对应 β-Ga₂O₃ 相，为单晶，表面取向为 (–201)。随着 T_Zn 的增加，形成了以 (111) 取向为主的多晶 β-Ga₂O₃ 薄膜。引入 Zn 导致薄膜表面微观形貌更加发育。拉曼光谱表明，少量杂质原子倾向于替代氧化物晶格中的镓原子，这一点也通过霍尔测试得到验证。由于 Zn 为深能级受主，引入后载流子浓度降低了 2–3 个数量级，从而主要导致薄膜电阻率下降。所制备的薄膜在开发 β-Ga₂O₃ 器件高电阻区域方面具有良好应用前景。

        本研究开发了一种等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备 β-Ga₂O₃:Zn 薄膜的方法，并可对金属前驱体进行预纯化。随着 Zn 源温度（T_Zn）升至 220 °C，生成的 Ga₂O₃ 薄膜中杂质浓度为 4 at.%；T_Zn = 230 °C 时，[Zn] = 6 at.%；T_Zn = 235 °C 时，[Zn] = 8 at.%。无论 T_Zn 如何变化，薄膜的相组成均为单斜 β-Ga₂O₃ 相。在 T_Zn = 23 °C 时，β-Ga₂O₃ 薄膜为单晶，表面取向为 (–201)。随着 T_Zn 的升高，形成了以 (111) 取向为主的多晶 β-Ga₂O₃ 薄膜。掺杂 Zn 后，晶格参数略有增加，晶粒尺寸显著增大。Zn 的引入还使薄膜表面微观形貌更加发育，表面粗糙度参数增加约两个数量级，晶粒尺寸增大至约 300 nm，并形成尺寸可达 1.5 µm 的晶粒团聚体。拉曼光谱表明，少量杂质原子倾向于替代氧化物晶格中的镓原子，这一点也通过霍尔测试结果得到验证。由于 Zn 为深能级受主，其引入使载流子浓度下降 2–3 个数量级，从而成为薄膜电阻率下降的主要原因。载流子的迁移率在很大程度上由薄膜的微观结构决定，对 [Zn] 的依赖较弱。

图 1. PECVD 法沉积的纯 Ga₂O₃ 薄膜与 Zn 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 衍射图谱。

图 2. PECVD 法沉积的薄膜表面 SEM 图像：纯 Ga₂O₃ 薄膜 (a) 及 Zn 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜在 T_Zn = 220 °C (b)、230 °C (c) 和 235 °C (d) 条件下的表面形貌。

DOI：

doi.org/10.3390/mi16080954