【会员论文】ASS丨贵州大学马奎教授团队：激光退火调控Cu掺杂β-Ga₂O₃近表面化学态与带边演化，揭示空穴主导输运转变

        近日，贵州大学电子科学系、半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心马奎教授团队在国际期刊Applied Surface Science发表最新研究成果，论文题目为Laser annealing modulates near-surface Cu-related chemical states and band-edge evolution in high-temperature-treated Cu-doped β-Ga₂O₃ thin films（激光退火调控高温处理Cu掺杂β-Ga₂O₃薄膜近表面Cu相关化学态及带边演化）。贵州大学博士研究生马玉麟为论文第一作者，马奎教授为通讯作者；贵州大学杨发顺副教授及重庆中科渝芯电子有限公司杨赉共同参与了该项研究。

        β-Ga₂O₃具有超宽禁带、高理论击穿场强以及可获得大尺寸单晶衬底等优势，是高压、高功率电子器件的重要候选材料。然而，与成熟的n型导电相比，其有效受主掺杂和空穴输运仍面临瓶颈。高度局域化的O 2p价带容易诱发空穴自陷，深受主能级及施主补偿也限制了空穴输运。

        Cu具有多种氧化态，并对局域配位环境高度敏感，因此为调控β-Ga₂O₃缺陷与电子结构提供了可能。但Cu引入后可能伴随混合价态、缺陷复合体、局域偏聚及Cu富集第二相等复杂行为，其局域化学状态、相对带边位置、施主—受主补偿与输运特性之间的关系仍有待厘清。

        针对上述问题，该团队构建了高温处理与连续波激光退火相结合的后处理策略。高温处理促进晶体有序化、结构弛豫和元素重排，随后利用1080 nm连续波激光进一步调节局域结构与化学环境，并结合结构、XPS、光学、Hall及器件测试，系统考察Cu输入量对材料结构、能带、载流子补偿及器件响应的影响。

        基于团队已获得授权的发明专利（一种在氧化镓材料中掺杂金属原子的实现方法，ZL202111453562.8）技术，研究构建了Ga₂O₃盖层/Cu源层/β-Ga₂O₃衬底结构，并结合高温处理（HTT）与1080 nm连续波激光退火（LA），系统考察不同Cu输入下薄膜结构、局域化学状态、相对带边位置、电输运及器件性能的演化规律。通过无Cu参考样品优化激光处理条件，最终确定50 J·cm⁻²、扫描3次作为统一LA工艺，在保持表面完整性的同时，将β-Ga₂O₃（−201）摇摆曲线半高宽由260 arcsec降至140 arcsec，显著改善了晶体有序度。随着Cu输入增加，薄膜始终保持β-Ga₂O₃主体晶格，并呈现轻微的各向异性晶格膨胀；LA在进一步提高晶体相干性的同时，促使近表面Cu局域环境向CuO-like、Cu²⁺主导的配位状态重构。光学与价带XPS结果表明，Cu输入对光学禁带宽度影响较小，却显著缩小了费米能级与价带顶之间的相对能量间距，反映出施主—受主补偿不断增强。Hall测试进一步证实，随着Cu输入增加，载流子输运由电子主导逐步经过近补偿状态转变为空穴主导，其中tCu=60 s样品在275–350 K范围内始终保持正Hall系数。与这一输运转变相对应，结器件也由tCu=45 s时的近线性I–V响应转变为60 s时的明显整流；8个器件的平均开启电压约为3.9 V，平均整流比达到542，并在100次双极性偏压循环和热循环后分别保持93.5%和94.5%的初始整流性能。

        ①构建高温处理—连续波激光退火协同调控策略。通过无Cu参考样品建立统一的激光退火工艺窗口，在保持表面完整性的同时显著改善β-Ga₂O₃晶体有序度，为Cu掺杂薄膜的后续调控提供了稳定、可比较的处理条件。

        ②揭示激光退火对Cu局域化学环境的重构作用。结合Cu 2p与Cu LMM Auger谱发现，激光退火可促使近表面Cu环境向CuO-like、Cu²⁺主导的配位状态重组，同时保持β-Ga₂O₃主体晶格，表明LA不仅能够改善晶体质量，还可进一步调控局域化学状态。

        ③建立激光退火参与下“结构—化学态—带边—输运—器件”的关联机制。在统一LA条件下，随着Cu输入增加，相对费米能级—价带顶间距显著减小，施主—受主补偿逐步增强，载流子输运由电子主导经近补偿转变为空穴主导，并进一步表现出明显且稳定的结器件整流响应，从材料调控延伸至器件性能验证。

        研究构建了高温处理与激光退火协同调控Cu掺杂β-Ga₂O₃薄膜的后处理策略。结果表明，适宜的激光退火条件能够在保持表面完整性的同时进一步提升晶体有序度，并促进Cu相关局域结构、化学环境及缺陷状态的重构。随着Cu输入增加，材料的相对带边位置和施主—受主补偿状态持续演化，载流子输运由电子主导逐步经过近补偿状态转变为空穴主导，并在n型β-Ga₂O₃衬底上表现出稳定的结器件整流响应。该工作建立了“Cu输入—局域结构与化学态重构—带边演化—载流子补偿—空穴主导输运—器件响应”之间的连续关联，为利用激光退火进一步调控Cu掺杂β-Ga₂O₃材料及相关结器件性能提供了新的实验依据和研究思路。

        本研究得到贵州省科技重大专项（No. 黔科合平台SSYS [2025] 重大006）和贵州省2024年研究生科研基金项目（No. 2024YJSKYJJ070）的支持。同时感谢中国电子科技集团公司第四十六研究所和杭州镓仁半导体有限公司提供β-Ga₂O₃单晶衬底。

图1. Cu掺杂β-Ga₂O₃薄膜的制备及生长后处理工艺示意图。（a）Ga₂O₃盖层/Cu源层/β-Ga₂O₃衬底结构的构筑；无Cu参考样品中不设置Cu源层。（b）流动O₂气氛下的高温处理（HTT）。（c）空气环境下采用1080 nm连续波激光进行激光退火（LA）。

图2. 不同激光扫描次数和扫描能量密度下，无Cu β-Ga₂O₃薄膜的AFM表面形貌、线剖面及均方根粗糙度。其中（a）扫描1次，（b）扫描2次，（c）扫描3次。

图3. 不同激光扫描次数和扫描能量密度下β-Ga₂O₃薄膜的XRD表征。（a–c）扫描1次、2次和3次时的θ–2θ衍射图谱；（d–h）β-Ga₂O₃（−201）峰强度、峰位、晶面间距、半高宽及表观相干畴尺寸的变化；（i）衬底、HTT样品及优化HTT+LA样品的摇摆曲线对比。

图4. 不同Cu沉积时间下Cu源层的厚度标定。（a–d）Cu沉积15、30、45和60 s时的光学图像；（e）对应的台阶仪厚度测试结果。

图5. Cu沉积60 s样品经HTT+LA处理后的SEM–EDS表征。（a，e）表面和截面SEM图像；（b–d）表面Ga、O、Cu元素分布；（f–h）截面Ga、O、Cu元素分布；（i，j）表面和截面EDS分析结果。

图6. 不同Cu沉积时间下HTT与HTT+LA样品的AFM表面形貌及均方根粗糙度。（a）HTT样品；（b）HTT+LA样品。各组分别对应Cu沉积15、30、45和60 s，虚线表示粗糙度随Cu沉积时间的变化。

图7. 不同Cu沉积时间下HTT与HTT+LA样品的XRD表征。（a，b）XRD图谱；（c）β-Ga₂O₃（−201）衍射峰局部放大图；（d–f）晶面间距、半高宽及表观相干畴尺寸随Cu沉积时间的变化。

图8. Cu沉积60 s样品经HTT+LA处理后的局域晶格结构与元素分布。（a–c）HRTEM及FFT分析；（d）晶面间距；（e–l）IFFT分析；（m–p）STEM截面图及Ga、O、Cu元素分布。

图9. 不同Cu沉积时间下HTT与HTT+LA样品的Cu相关化学态及氧相关局域环境。（a–h）Cu 2p谱；（i–p）Cu LMM Auger谱；（q–x）O 1s谱。上、下两排分别对应HTT和HTT+LA处理。

图10. Cu沉积60 s样品经HTT+LA处理后的O 1s深度XPS谱。（a–c）对应约0、50和100 nm的溅射深度；OL和OD分别代表晶格氧和氧缺陷相关组分，百分比表示OD的相对峰面积。

图11. 不同Cu沉积时间下HTT与HTT+LA样品的光学性质及相对带边演化。（a，d）UV–vis透射光谱；（b，e）Tauc曲线及光学禁带宽度；（c，f）价带XPS谱及费米能级与价带顶的相对能量间距。图（a–c）和（d–f）分别对应HTT和HTT+LA处理。

图12. 参考衬底及不同Cu沉积时间样品的相对带边演化。（a）Fe掺杂β-Ga₂O₃衬底；（b–e）不同Cu沉积时间的HTT样品；（f）Sn掺杂β-Ga₂O₃衬底；（g–j）不同Cu沉积时间的HTT+LA样品。

图13. Cu掺杂β-Ga₂O₃/Sn:β-Ga₂O₃结器件的制备与电学性能。（a）器件结构及制备流程；（b，c）I–V特性；（d，e）开启电压和整流比的器件间差异；（f，g）双极性偏压循环和热循环下的器件稳定性。

        通讯作者：马奎，贵州大学电子科学系教授、博士生导师，半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心副主任，主要从事功率器件及其可靠性、半导体集成技术、模拟及数模混合集成电路等方面的研究。

DOI:

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.168259