【国际论文】德国马格德堡大学：正交单域κ-Ga₂O₃从红外到紫外光谱的吸收各向异性：声子与带隙效应

        由德国马格德堡大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Absorption anisotropy of orthorhombic single-domain κ-Ga₂O₃ from infrared to ultraviolet: Phonons and bandgaps（正交单域 κ-Ga₂O₃ 从红外到紫外光谱的吸收各向异性：声子与带隙效应）的文章。

        氧化镓是一种超宽禁带半导体，具有多种晶型（α、β、γ、δ、κ），因其优异的耐高压特性和宽带隙特征，被认为是高功率电子器件和深紫外光探测器的理想材料。其中，κ 相具有自发极化和铁电特性，可用于产生二维电子气（2DEG），在高电子迁移率晶体管（HEMT）等器件中具有潜在应用价值。然而，κ-Ga₂O₃ 薄膜的生长面临一个关键问题——容易形成旋转畴结构，不同畴之间相互旋转约 120°，导致样品整体各向同性，无法精确获得单晶结构的光学各向异性参数。此前的研究大多基于这种多畴样品，仅能获得沿（001）方向平行和垂直的双向光学响应。本文利用光谱椭偏法（spectroscopic ellipsometry），在红外至紫外波段测量单畴 κ-Ga₂O₃ 的介电函数与吸收系数，揭示其晶向相关的光学特性、红外活性声子模态及各向异性的带隙跃迁行为。

        本研究报告了正交晶系单畴 (001) κ-Ga₂O₃ 的各向异性介电函数（ε）和吸收系数。通过在 ε-GaFeO₃ 基底上利用雾化化学气相沉积（mist CVD）方法生长的单畴 κ-Ga₂O₃ 样品，使用光谱椭偏法（spectroscopic ellipsometry）对其在红外至紫外波段的光学特性进行了研究。结果发现，该材料存在具有 B₁ 和 B₂ 对称性的红外活性声子模式。可见光至紫外区域的介电函数测得高频介电常数 ε₁ 以及各向异性的基态带间跃迁能量：4.82 和 5.75 eV（ε_yy）、5.09 eV（ε_xx）、以及 5.43 eV（ε_zz）。所得结果与理论计算以及此前关于多畴 κ-Ga₂O₃ 的研究结果进行了对比。

        本文通过在 ε-GaFeO₃ 衬底上采用雾化化学气相沉积法（mist-CVD）制备的单畴 κ-Ga₂O₃ 薄膜，利用光谱椭偏技术在红外至紫外波段对其进行了系统研究。结果表明，红外区介电函数揭示了 κ-Ga₂O₃ 的 B₁ 和 B₂ 对称红外活性声子模态；紫外区介电函数则反映了高频介电常数的各向异性及吸收起始位置。通过对紫外区介电函数的线型拟合，获得了第一及部分第二带间跃迁能量，这些结果与部分理论预测以及以往关于多畴 κ-Ga₂O₃ 的实验结果相一致。

图1. 单畴 κ-Ga₂O₃ 在红外波段下的椭偏角 Ψpp（左）和 Δpp（右）。图中分别展示了当 (010) 轴垂直（下方）与平行（上方）于入射面的测量结果，不同颜色代表不同入射角（红：30°；蓝：50°；绿：70°），黑色曲线为逐点拟合结果。

图2.单畴 κ-Ga₂O₃ 在红外活性光学声子波段的逐点复杂介电函数（实线）。上方曲线（左轴）为实部，下方曲线（右轴）为虚部，蓝色为 ε_xx，红色为 ε_yy。黑色虚线为相应的线型拟合模型。

图3.单畴 κ-Ga₂O₃ 在可见光–紫外波段的椭偏角 Ψ_pp（左）与 Δ_pp（右）。(010) 轴分别垂直（下方）与平行（上方）于入射面时测得的结果，不同入射角（30°、60°、45°、75°）以红、绿、蓝、粉色表示，黑色曲线为逐点拟合结果。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0302622