【外延论文】晶圆级铬掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的溶胶-凝胶合成及其光学能带结构调控

        由南京信息工程大学的研究团队在学术期刊 Physica Scripta 发布了一篇名为 Sol-gel synthesis and optical band structure modulation of wafer-scale Cr-Doped β-Ga₂O₃ thin films（晶圆级铬掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的溶胶-凝胶合成及其光学能带结构调控）的文章。

摘要

        氧化镓（Ga₂O₃）已成为下一代高功率电子器件和日盲紫外光探测领域有前景的超宽带隙半导体材料。然而，通过低成本方法制备高质量、大面积薄膜并调控其电子性能，仍是一项重大挑战。在本研究中，我们采用低成本、非真空溶胶 - 凝胶旋涂法，在 2 英寸蓝宝石基底上成功合成了晶片级未掺杂和铬（Cr）掺杂的 β-Ga₂O₃ 薄膜。我们系统研究了退火温度和 Cr 掺杂对薄膜结构和光学性能的影响。元素分析和结构分析证实，在 600 °C 和 700 °C 的退火温度下，形成了单斜晶系 β 相，且 Cr 离子有效地掺入到 Ga₂O₃ 晶格中的 Ga 替代位点。光学表征显示，所有薄膜在 300 – 1100 nm 范围内均表现出超过 90 % 的高透明度。提高退火温度会使吸收边变尖锐并发生红移，光学带隙从 5.00 eV（400 °C）减小到 4.93 eV（700 °C）。Cr 掺杂进一步将带隙减小到 4.85 eV，并增强了可见光区域的吸收。理论计算表明，Cr³⁺ 离子和氧空位引入了局域化带隙中间态，提供了替代的跃迁路径，这些路径主导了亚带隙激发并驱动了观察到的光谱红移。密度泛函理论得出的介电函数和吸收光谱与实验趋势一致。这些发现证实了溶胶-凝胶技术是半导体工程领域可行的工业规模替代方案，并为通过过渡金属掺杂和缺陷管理来调控带隙提供了关键见解。

原文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1402-4896/ae70d9