【会员论文】APL丨香港大学、中科院东莞材料科学与技术研究所梅增霞研究员团队：射频溅射制备硒掺杂非晶氧化镓及其缺陷表征

        由香港大学、中科院东莞材料科学与技术研究所梅增霞研究员联合大连理工大学、奥斯陆大学联合研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Defect characterization of amorphous selenium-doped Ga₂O₃ grown by radio frequency sputtering（射频溅射制备硒掺杂非晶氧化镓薄膜及其缺陷表征）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）的掺杂调控是实现大功率、紫外光电器件的核心手段。传统 IV 族掺杂可实现高 n 型载流子浓度，但 p 型导电难以实现，本征价带过深、空穴有效质量大。现有 Mg、Fe 等受主掺杂仅能引入深能级补偿电子，而硫族元素（S、Se、Te）合金化可抬高价带边，降低受主电离能，其中硒（Se）掺杂具备独特优势：既可替代氧/镓格位调控能带，又能同步优化薄膜吸收特性。

        现有硒掺杂氧化镓研究多采用离子注入工艺，易引发晶格畸变；射频磁控溅射可低温制备大面积非晶 Ga₂O₃，兼容柔性基底，但 Se 掺杂引入的深能级陷阱缺乏系统定量表征。深能级瞬态谱（DLTS）是解析半导体缺陷能级的关键手段，目前尚未系统研究溅射功率、Se 掺杂对非晶 Ga₂O₃ 空穴、电子陷阱演化规律。本文采用不同射频功率制备纯 Ga₂O₃ 与 Se 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜，结合 DLTS、XPS、SIMS 等手段区分氧缺陷、镓缺陷对应的深能级，阐明 Se 掺杂调控缺陷与薄膜电阻率的内在机理，为非晶氧化镓光电器件缺陷工程提供理论依据。

        本文采用射频磁控溅射法制备硒（Se）掺杂非晶 Ga₂O₃ 薄膜，并利用深能级瞬态谱（DLTS）研究薄膜内部深能级陷阱。所有样品均可形成性能良好的 p⁺–n 结整流结构，DLTS 测试证实 Se 掺杂与溅射功率会显著改变薄膜缺陷能级。未掺杂纯 Ga₂O₃ 样品存在两种空穴陷阱（H1：0.61 eV、H2：1.24 eV）；引入 Se 掺杂后，薄膜新增一类电子陷阱 E1（约 0.54 eV），该陷阱对应氧缺失中心，与单晶 β-Ga₂O₃ 中的氧空位 Vₒ 性质相近，同时保留镓缺失位点对应的空穴陷阱 H2（1.23–1.28 eV），高溅射功率下会生成全新空穴陷阱 H3（1.50 eV）。随着 Se 掺杂量提升，薄膜电阻率持续下降，证明 Se 会修饰镓缺失局域结构、形成类施主电子态，该行为类似单晶 β-Ga₂O₃ 中的 Se 替镓反位缺陷。该研究揭示了非晶 Ga₂O₃ 缺陷调控规律，证实 Se 掺杂是调控氧化物电子、光电器件电学性能的有效手段。

        ①采用室温射频溅射制备了大面积 Se 掺杂非晶 Ga₂O₃，兼容柔性基底，系统研究了不同溅射功率样品中缺陷的演化规律；

        ②借助 DLTS 定量分析纯 Ga₂O₃、Se 掺杂 Ga₂O₃ 中的氧缺陷电子陷阱 E1 与多类镓缺陷空穴 H1/H2/H3，并给出各自的缺陷激活能与缺陷浓度；

        ③证实 Se 掺杂会在薄膜内引入类施主局域态，持续降低薄膜电阻率，阐明 Se 替镓位点对缺陷能级的调控机制；

        ④结合 XPS、SIMS、变温 DLTS、脉冲宽度依赖测试，完整建立“溅射功率-Se 含量-缺陷类型-电学性能”关联；

        ⑥明确低功率 Se 掺杂产生氧空位电子陷阱，高功率诱导更深镓空位，为非晶氧化镓缺陷钝化与载流子调控提供实验依据。

        Se 掺杂与溅射功率可协同调控非晶 Ga₂O₃ 的深能级缺陷体系。本研究证实非晶 Ga₂O₃ 薄膜中存在与单晶 β-Ga₂O₃ 镓空位 VGa、氧空位 Vₒ 相对应的镓缺失、氧缺失局域中心。氧缺失对应的电子陷阱 E1（约 0.54 eV）仅出现在 Se 掺杂 S1、S2 样品中；当溅射功率提升至 80 W 时，薄膜生成能级更深的空穴陷阱 H3（1.50 eV）。未掺杂样品独有的 H1 陷阱在引入 Se 后消失，原有 H2 陷阱随溅射功率升高转变为更深的镓缺失陷阱 H3。随着 Se 掺杂浓度提升，薄膜电阻率逐步下降，其根源是 Se 形成类似 Se 替镓反位的类施主局域结构。所有缺陷均符合点缺陷载流子俘获动力学，而非位错等扩展缺陷特征。XPS、SIMS 与 DLTS 联合表征证明 Se 在薄膜内部均匀分布，通过改变镓氧配位环境调控深能级分布。Se 掺杂可有效调控非晶 Ga₂O₃ 缺陷态与电学性能，适用于氧化物电子器件、日盲光电器件开发

        本研究得到国家自然科学基金资助（项目编号：62374023、12574218）。

图 1 S0 纯 Ga₂O₃、S1–S3 Se 掺杂 Ga₂O₃ p⁺–n 结电流-电压整流曲线

图 2 (a)(c)(e)(g) S0/S1/S2/S3 变温 DLTS 谱；(b)(d)(f)(h) 对应缺陷阿伦尼乌斯拟合图

图 3 (a)(c)(e) S0/S1/S3 不同填充脉冲宽度 DLTS 谱；(b)(d)(f) 缺陷峰值指数拟合曲线

图 4 氩离子刻蚀后各样品 XPS 谱：(a) O 1s 精细谱；(b) Ga 3d5/2 精细谱

DOI：

doi.org/10.1063/5.0336396