【国内论文】浙江师范大学、上海大学：揭示氮氧气氛对Sn掺杂Ga₂O₃晶相转变的调控机制

        由浙江师范大学、上海大学的研究团队在学术期刊 Vacuum 发布了一篇名为 Controllable phase transition in Sn-doped Ga₂O₃ film induced by mixed nitrogen-oxygen growth atmosphere（氮氧混合生长气氛诱导掺锡 Ga₂O₃ 薄膜的可控相变）的文章。

        超宽禁带半导体是下一代大功率电子器件与深紫外光电器件的核心材料，β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借超宽禁带、高击穿电场等优异特性，成为后摩尔时代极具潜力的候选材料，也是氧化镓五大晶相中热力学稳定性最佳、研究最广泛的晶相。但本征载流子浓度偏低的问题，限制了其在大功率器件中的实际应用。

        行业内普遍采用锡（Sn）掺杂提升氧化镓的 n 型导电性能，锡离子半径与镓相近，可通过异价置换有效提供自由电子。然而高浓度锡掺杂会促使薄膜生成亚稳态 ε 相氧化镓，造成 ε 相与 β 相共存，劣化器件性能。

        目前针对氧化镓晶相调控的研究多集中于阳离子掺杂、生长温度等方向，关于生长气氛（尤其是弱反应/惰性气体）对晶相的调控作用鲜有报道。为此，该团队围绕不同氮氧配比下掺锡氧化镓薄膜展开系统研究，探索一种简单、可控的晶相调控新方法。

        β 相氧化镓在大功率电子器件与深紫外光电探测领域具备突出优势，但较低的本征载流子浓度制约了其实际应用。锡掺杂常被用于提升其 n 型导电能力，然而该方式易生成亚稳态 ε 相氧化镓，进而造成器件性能下降。目前，学界仍缺少一种简便、可控的方法来抑制这种不利的相变。本文研究证实，可通过调控沉积过程中的氮氧混合生长气氛，有效调控掺锡氧化镓薄膜的晶相演变。具体而言，当氮气分压从 0 提升至 0.009 毫巴时，薄膜由 ε 相向 β 相的转变被显著促进，最终 β 相占比达到 100%。二次离子质谱测试结果表明，薄膜中氮掺杂浓度高达 6×10²⁰ 原子/立方厘米。该相变调控方法为高性能氧化镓基器件的制备提供了重要参考。

        ·首次提出利用氮氧混合气氛调控掺锡氧化镓晶相，无需改变生长温度与锡掺杂浓度，实现工艺简化。

        ·证实氮气可诱导薄膜完成 ε 相→ β 相的完全转变，氮气分压提升可定向调控晶相组成，过高氮气比例会使薄膜转为非晶态。

        ·结合对照实验排除气压、氩气等干扰因素，明确氮掺杂是驱动相变的核心原因；阐明氮原子取代氧位点、破坏八面体镓配位结构的相变机理。

        ·氮掺杂会提升薄膜氧空位浓度、缩小光学带隙，同时提升薄膜暗电流与光电流，优化光电响应特性。

        本研究证实，在氮氧混合气氛下利用脉冲激光沉积技术制备的掺锡氧化镓薄膜，可发生由热力学主导的可控相变。仅通过调节氮氧比例，就能将薄膜晶相从单一 ε 相逐步调控为混合相，最终转变为纯 β 相。透射电镜-能谱与二次离子质谱的综合表征证明，薄膜实现了高浓度氮掺杂。掺入的氮原子会占据氧化镓中的氧位点，尤其是镓的八面体配位位点，促使薄膜向热力学稳定性更高的 β 相转变。该研究不仅为氧化镓薄膜的晶相调控提供了简易有效的技术方案，也为惰性气体在氧化物薄膜生长中的作用提供了新认知，为依托气氛调控制备、设计高性能氧化镓基器件奠定了基础。

        本研究得到浙江省自然科学基金联合项目（项目编号：JHSZ26F040001）、金华市科技计划项目（项目编号：2025-4-186、2025-4-185）、浙江省教育厅科研项目（项目编号：Y202455408）、国家自然科学基金（项目编号：12304181、12574178、11604201）以及费勉仪器（上海）有限公司的资助。

图 1 (a) 样品 S1~S5 的 X 射线衍射图谱，展示 Ga₂O₃ 薄膜在 ε 相、β 相以及非晶相之间的晶相演变；(b) 增设对照组 S6、S7 后，样品 S1、S3、S6、S7 的 X 射线衍射图谱。

图 2 (a) 薄膜截面透射电镜图，红色方框为衍射选区大致范围；(b) 薄膜截面选区电子衍射图，对应晶面间距的晶面指数为 (4̄02) 与 (111)，单斜晶系 β 相的 β 夹角为 106.6°；(c) 透射电镜 - 能谱分析样品形貌图；(d) 氮元素分布图谱。

图 3 (a)~(c) 样品 S1 至 S3 的表面粗糙度图及其算术平均粗糙度 Rₐ；(d) 不同波长下样品 S1 至 S5 的光透过率图谱；(e) 样品 S1 至 S5 的 (αhν)²-hν 关系曲线及拟合得到的光学带隙。

图 4 (a) 样品 S1 至 S6 的 X 射线光电子能谱全谱；(b) 样品 S1 至 S6 的碳 1s 能谱。

图 5 (a) 样品 S1 至 S6 的镓 2p 能谱；(b) 样品 S1 至 S6 的镓 3d 能谱；(c) 385~410 eV 能量区间内样品 S1 至 S6 的 X 射线光电子能谱；(d) 样品 S1 至 S6 的氧 1s 能谱；(e) 样品 S1 至 S6 的锡 3d 能谱。

图 6 样品 S2、S3 中氮元素的二次离子质谱定量分析结果图。

图 7 (a) 测试用电极结构示意图；(b) 经双指数函数拟合，样品 S3 的快速上升时间与衰减时间分别为 0.409 秒、0.319 秒；(c) 无光环境下测得的样品 S1 至 S3 暗电流；(d) 254 纳米波长光照下测得的样品 S1 至 S3 光电流。

DOI：

doi.org/10.1016/j.vacuum.2026.115549