【会员论文】ASS丨厦门理工学院、厦门市计量检定测试院、福建物构所等团队：通过加合物介导的低温空间原子层沉积法制备P型氮掺杂非晶氧化镓薄膜

        Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，在功率电子与日盲光电器件中应用潜力巨大，但其难以实现稳定 P 型导电，限制了双极型器件与互补电路的发展。传统 N 掺杂 Ga₂O₃ 多依赖高温工艺，低温下难以实现有效氮掺杂，而空间原子层沉积（sALD）可在低温下实现均匀成膜，适合热敏与柔性器件。该团队提出加合物介导策略，在 150 ℃ 下实现 P 型 N 掺杂非晶 Ga₂O₃ 薄膜制备，为低温柔性氧化物电子学提供新方案。

        在低热预算条件下实现超宽禁带 Ga₂O₃ 的 P 型导电仍是重大挑战。该团队采用空间原子层沉积技术，在 150 ℃ 条件下制备出 P 型氮掺杂非晶 Ga₂O₃ 薄膜。研究利用 Ga (CH₃)₃:NH₃ 加合物前驱体预反应策略，克服 N–H 键解离的高动力学势垒，无需等离子体辅助即可实现氮元素有效掺入。材料表征表明，氮含量线性增加至约 0.62 at.%，并在更高前驱体流量下趋于平缓。紫外光电子能谱证实费米能级 E_F 向价带下移，表现出 P 型电学特征。霍尔效应测试确定最优掺杂窗口，获得 2.6 ×10¹⁷ cm⁻³ 的空穴浓度与 2.1 cm² V⁻¹ s⁻¹ 的迁移率。该性能源于置换氮对本征氧空位的抑制作用。过量前驱体流量会因过掺杂产生间隙缺陷引发载流子散射，导致迁移率下降。该团队制备出开关比达 4.3 ×10⁴ 的功能性 P 沟道薄膜晶体管。结果证实了非晶氧化物中 P 型导电的可行性，为适用于热敏衬底的柔性电子器件提供了技术路线。

        •通过空间原子层沉积（sALD）在 150 ℃ 下制备 P 型氮掺杂非晶 Ga₂O₃ 薄膜。

        •基于 TMG:NH₃ 加合物介导策略，无需等离子体辅助即可实现 sALD 氮掺杂。

        •在氮含量为 0.62 at.% 时获得 2.6×10¹⁷ cm⁻³ 的空穴浓度。

        •高功函数（7.58 eV）与功能性 TFT 器件共同证实 P 型导电特性。

        该团队采用加合物介导的空间原子层沉积技术，在 150 ℃ 下合成 P 型氮掺杂 Ga₂O₃ 薄膜。通过前驱体间预反应，成功突破氨解离的热限制，实现有效掺杂。生长动力学证实自限制沉积模式，适合精确厚度控制；结构表征表明薄膜保持连续、致密、原子级平整的非晶形貌。深度分布分析确证从表面到界面的均匀体掺杂，排除表面偏析效应。NH₃ 流量为 30 sccm 时获得最优性能，空穴浓度达 2.6 ×10¹⁷ cm⁻³，迁移率为 2.1 cm² V⁻¹ s⁻¹，氮元素有效抑制本征氧空位。O 1s 谱中氧空位组分系统性降低、导电类型由 N 型转为 P 型、P 沟道 TFT 实现有效栅调控，共同证明掺入的氮作为电活性受主参与自由空穴产生。过高 NH₃ 流量会因过掺杂引入间隙缺陷造成散射，导致迁移率下降。电子结构分析显示费米能级明显向价带顶移动，证实材料 P 型属性。最终，该团队将薄膜集成至 P 沟道薄膜晶体管，实现约 4.3 ×10⁴ 的开关比，验证材料实用性。该低温工艺为热敏聚合物衬底上的透明氧化物电子学提供可靠平台。虽然原位光谱验证（如 FTIR、质谱）可直接证实 Ga (CH₃)₃:NH₃ 加合物形成并定量评估动力学势垒降低，但此类实验需要专用原位反应腔，该团队计划在未来开展。

        本研究得到福建省中青年教师教育科研项目（编号 JAT241127）、厦门市科技计划项目（编号 3502Z202373061）、国家自然科学基金（编号 21975260）与国家海外高层次人才引进计划（千人计划）资助。

图 1. 低温氮掺杂的加合物介导反应机理示意图。

图 2. (a) 薄膜厚度随 sALD 周期的变化；(b) 每循环生长量（GPC）随 NH₃ 流量的变化。

图 3. (a) 不同 NH₃ 流量下制备的 N 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜的 GIXRD 图谱；(b) NH₃ 流量为 30 sccm 时 N 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜的 SIMS 深度分布。

图 4. NH₃ 流量分别为 (a) 0、(b) 15、(c) 30、(d) 45 sccm 时制备的 N 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜的 SEM 图。

图 5. NH₃ 流量分别为 (a) 0、(b) 15、(c) 30、(d) 45 sccm 时制备的 N 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.166803