【国际论文】AFM丨美国落基山国家实验室：尖晶石型 NiGa₂O₄ 的外延生长及其与 Ga₂O₃ 的界面半导体特性

        由美国落基山国家实验室、科罗拉多矿业学院、弗吉尼亚大学的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为 Epitaxial Growth and Semiconductor Properties of NiGa₂O₄ Spinel and its Interfaces with Ga₂O₃（尖晶石型 NiGa₂O₄ 的外延生长及其与 Ga₂O₃ 的界面半导体特性）的文章。

        《Advanced Functional Materials》（影响因子：19.9）涵盖广泛领域，具有重要的学术影响力。该刊广泛涉及工程技术及材料科学等多个领域，每周发布材料科学领域的最新研究成果，包括纳米技术、化学、物理学以及生物学等多个子领域。凭借其高效的同行评审制度、优质的内容以及广泛的影响力， 《Advanced Functional Materials》涉及材料科学及工程技术等领域，是国际材料科学领域的重要期刊，被国际权威自然指数评选为顶级期刊之一。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，在高压功率电子器件领域拥有巨大应用前景，但受限于 p-type 掺杂难题。现有 p-type 氧化物如 NiO 与 β-Ga₂O₃ 构成异质结器件，在温度高于 400 ℃ 时界面稳定性变差；α-Cr₂O₃ 虽然可耐受 600 ℃ 高温，但势垒偏低造成漏电流大。

        有研究发现在 Ga₂O₃/NiO 界面会自发生成尖晶石相 NiGa₂O₄ 中间层，该薄层可改善整流特性与击穿电压，被认为是弱 p-type 半导体。但目前对于 NiGa₂O₄ 薄膜本身的外延生长、optoelectronic-thermal 输运、异质结界面能带偏移、器件高温特性仍缺少系统研究。本文采用脉冲激光沉积制备 NiGa₂O₄ 外延薄膜，系统表征薄膜结构、光学、热学性质，测定 NiGa₂O₄/Ga₂O₃ 界面价带偏移，并制备异质结二极管验证高温功率器件应用潜力。

        本文利用脉冲激光沉积在 α-Al₂O₃(0001) 衬底上制备立方尖晶石 NiGa₂O₄ 薄膜，厚度 2-200 nm，表面粗糙度约 2 nm。生长衬底温度区间 300-900 ℃；薄膜光吸收起始边 3.6-3.9 eV，热导率 4-9 W m⁻¹ K⁻¹，两项性质随生长温度发生规律性变化，理论计算表明该变化来源于尖晶石晶格内 Ni、Ga 阳离子占位有序度差异。

        发展一套新的 XPS 拟合分析方法，解决传统 Kraut 分析方法的局限，测得 (100) 取向 NiGa₂O₄/Ga₂O₃ 异质结价带偏移为 1.8 eV。

        在带有 HVPE 漂移层的 (001) Ga₂O₃ 衬底上制备 Ni/NiGa₂O₄/Ga₂O₃ 垂直异质结二极管；± 2 V 整流比达到 10⁸，开启电压 1.4 V，器件直至 600 ℃ 依旧维持二极管整流特性。研究结果证明尖晶石 NiGa₂O₄ 可作为 β-Ga₂O₃ 基器件的异质结搭档，同时提供一套研究此类界面薄层的实验方案。

        ① 在 α-Al₂O₃(0001) 上实现尖晶石 NiGa₂O₄ 外延薄膜制备；证实薄膜光学、热学性质受尖晶石晶格阳离子有序度调控。

        ② NiGa₂O₄ 在 Ga₂O₃(100) 上实现外延生长，5-10 nm 临界厚度内保持共格应变，厚度增加发生应变弛豫。

        ③ 开发一套新型 XPS valence-band 拟合解析方法，克服传统 Kraut 方法限制，测定 NiGa₂O₄/Ga₂O₃(100) 价带偏移为 1.8 eV；并使用 Al₂O₃/Al 体系完成方法有效性验证。

        ④ 构建 Ni/NiGa₂O₄/Ga₂O₃ 垂直异质结二极管；相比 Ni/Ga₂O₃ 肖特基参考二极管，漏电流显著抑制，器件均匀性提升。

        ⑤ 该异质结器件 ± 2 V 整流比 10⁸，开启电压 1.4 V，可维持整流特性至 600 ℃；证明 NiGa₂O₄ 是高温大功率 Ga₂O₃ 器件极具潜力的界面层候选材料。

        本文系统研究尖晶石 NiGa₂O₄ 薄膜的结构、光学以及热学性质。脉冲激光沉积可在 α-Al₂O₃(0001) 衬底制备高质量 40-50 nm NiGa₂O₄ 外延薄膜，表面粗糙度约 2 nm；生长温度 300-900 ℃，光吸收起始边 3.6-3.9 eV，热导率 4-9 W m⁻¹ K⁻¹。红外椭偏测试表明声子寿命随生长温度升高而增大，与热导率变化趋势一致；第一性原理计算证实 Ni、Ga 阳离子有序度变化是光学‑热学性能随温度演变的内在来源。

        NiGa₂O₄ 可在 β-Ga₂O₃(100) 上外延，在 5-10 nm 厚度范围内发生逐步应变弛豫。借助新型 XPS 价带拟合解析手段测得 NiGa₂O₄/Ga₂O₃(100) 价带偏移为 1.8 eV，Ga₂O₃ 衬底存在额外 0.4 eV 的能带弯曲，该解析方法使用 Al₂O₃/Al 界面完成基准验证。

        将 150-180 nm NiGa₂O₄ 插入 Ni/Ga₂O₃(001) 肖特基界面，得到的异质结二极管整流比、器件均匀性优于参考肖特基二极管。带有 HVPE 漂移层的 NiGa₂O₄/Ga₂O₃(001) 异质结二极管，± 2 V 整流比达到 10⁸，开启电压 1.4 V，器件直到 600 ℃ 仍保持二极管特性。

        结果表明，NiGa₂O₄ 尖晶石层可以作为化学兼容、热稳定、电学适配的界面层，服务于大功率、高温工况下的 Ga₂O₃ 基电子器件；该工作同时提供一套手段，用于研究极端工况器件中自发形成的未知界面薄层。