【国际论文】JAC | 土耳其伊斯坦布尔大学：晶体取向与Sn掺杂对β-Ga₂O₃单晶的结构、光学及拉曼各向异性的耦合效应

        由来自土耳其伊斯坦布尔大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Coupled effects of crystallographic orientation and Sn-doping on the structural, optical, and Raman anisotropy of β-Ga₂O₃ single crystals（晶体取向与 Sn 掺杂对 β-Ga₂O₃ 单晶的结构、光学及拉曼各向异性的耦合效应）的文章。

        单斜相 β-Ga₂O₃ 是热力学稳定的超宽禁带半导体材料，禁带宽度约 4.8–4.9 eV，兼具高击穿场强、优异热稳定性，可通过 EFG、直拉法制备大尺寸单晶衬底，在深紫外探测、高温功率电子、极端环境光电器件领域具备巨大应用潜力。β-Ga₂O₃ 属于低对称单斜晶系，晶体结构带来本征的结构、光学、拉曼各向异性，晶体取向会直接改变能带、双折射、声子散射与薄膜结晶质量，是材料表征与器件设计不可忽略的核心变量。

        锡（Sn）是 β-Ga₂O₃ 主流浅施主掺杂元素，可精准调控载流子浓度，实现高导电 n 型单晶衬底；Sn 掺杂会引发 Burstein-Moss 带填充蓝移、杂质带、带尾畸变等光学变化，同时改变晶格局部成键与缺陷分布，显著影响拉曼声子响应。

        现有研究大多单独探究晶体取向各向异性或 Sn 掺杂效应，缺少同一实验体系下，(001)、(201) 两种主流衬底取向结合梯度 Sn 载流子浓度的对照研究；对于 Sn 掺杂、晶向二者耦合作用下的晶体结构演化、吸收边偏移、偏振拉曼各向异性演变规律尚不清晰，250–257 cm⁻¹ 附近掺杂相关宽拉曼峰的晶向依赖性也缺少系统性验证，难以指导衬底选型与各向异性器件开发。因此本文采用角分辨 XRD、透射光谱、角分辨偏振拉曼对两种取向的非掺杂、梯度 Sn 掺杂 EFG β-Ga₂O₃ 单晶开展完整对比表征，揭示晶向与 Sn 掺杂的协同耦合效应。

        本研究采用角分辨 X 射线衍射、光吸收光谱、偏振拉曼散射，对比 (001) 与 (201) 取向的非故意掺杂、Sn 掺杂 EFG 法生长 β-Ga₂O₃ 单晶，探究晶体取向与 Sn 施主共掺的耦合作用。XRD 结果证实所有样品均为纯单斜相 β-Ga₂O₃，(001) 取向晶片衍射峰半高宽窄于 (201) 取向晶片。光吸收分析显示 Sn 掺杂引发有效吸收边蓝移，符合 Burstein–Moss 效应带来的施主带填充规律，同时近边吸收带表现出取向依赖变化。偏振拉曼测试表明声子角响应高度依赖振动模式与晶体取向；随 Sn 浓度升高，(001) 取向能够维持更稳定的拉曼各向异性特征，而 (201) 取向拉曼各向异性受掺杂诱导重分布效应更强。仅在 Sn 掺杂 (201) 样品中观测到 257 cm⁻¹ 附近宽拉曼特征峰，说明该拉曼信号对载流子浓度与晶体取向具有双重敏感性。本研究结果表明，Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 的材料性能评估必须纳入晶体取向维度，以此实现可靠衬底筛选与各向异性器件设计。

        ·首次在统一 EFG 单晶体系下，同步对照 (001)、(201) 两种工业主流 β-Ga₂O₃ 衬底，定量揭示晶体取向与 Sn 施主掺杂对结构、光学、拉曼各向异性的耦合协同作用，弥补单一取向研究的局限性。

        ·通过角分辨 XRD 定量证明 (001) 晶片结晶质量更优、衍射半高宽更小；(201) 衬底因更大偏角存在更强方位衍射强度调制效应，明确峰位稳定性与半高宽是比衍射强度更可靠的晶体质量评价指标。

        ·区分两种取向的 Burstein-Moss 蓝移幅度与近紫外带尾演化规律：(001) 带隙蓝移幅度更大，两类衬底分别呈现双带尾、单带尾两种吸收轮廓，证明晶向直接调控掺杂对带边畸变方式。

        ·偏振拉曼证实 (001) 取向具备掺杂稳定的各向异性指纹，适合作为标准化拉曼表征衬底；(201) 取向对 Sn 掺杂诱导晶格微扰高度敏感，仅该取向可观测 257 cm⁻¹ 施主相关宽拉曼峰，为掺杂无损检测提供专属表征窗口。

        ·建立唯象拉曼积分面积拟合模型，量化不同声子模式二叶、四叶角分布特征，阐明 Sn 掺杂仅改变拉曼散射强度、不改变特征角对称分布的物理规律，为各向异性器件衬底选型提供完整实验依据。

        本文采用角分辨 X 射线衍射、光吸收光谱、偏振拉曼散射，对非故意掺杂与 Sn 掺杂 (001)、(201) 取向 β-Ga₂O₃ 单晶片开展全面研究。XRD 结果证实所有样品均为纯单斜相 β-Ga₂O₃，无二次相生成，衍射响应具有明显取向依赖性，(001) 晶片衍射峰宽度小于 (201) 晶片。衍射强度随方位角变化受晶片偏角与 θ–2θ 测试几何共同影响，相比衍射绝对强度，衍射峰位稳定性与半高宽是更可靠的结构对比依据。光吸收测试结果表明，两种取向样品吸收边均随 Sn 掺杂浓度升高发生蓝移，符合 n 型简并半导体的 Burstein–Moss 带填充效应；近边吸收轮廓演化同样存在取向差异，Sn 掺杂对带尾的调控作用必须结合晶体取向进行解读。偏振拉曼光谱直接证明 β-Ga₂O₃ 振动响应由晶体取向、拉曼张量投影、声子模式共同决定；(001) 晶片在全载流子浓度区间可维持稳定可复现的拉曼各向异性特征，(201) 晶片拉曼各向异性受掺杂诱导重分布效应更强。拉曼峰半高宽不随方位角与 Sn 浓度明显变化，说明高浓度施主掺杂下声子相干性仍可维持。仅在 Sn 掺杂 (201) 样品中观测到 257 cm⁻¹ 附近宽拉曼特征峰，该信号与 Sn 掺杂浓度、载流子浓度相关，且探测能力高度依赖晶体取向，不能简单归属于单一 Sn 局域振动模式。综合结果证明，β-Ga₂O₃ 的结构、光学、拉曼响应不能脱离晶体取向单独评估；(001) 取向可提供稳定的结构与拉曼各向异性标识，(201) 取向对施主掺杂引发的晶格振动重组更为敏感。该研究成果为 β-Ga₂O₃ 超宽禁带光电子材料的取向型表征、衬底筛选与工艺监测提供有效指导。