西電郝躍院士、張進成教授及馮倩教授研究組：雙脈沖誘導的Sn摻雜Ga?O?薄膜中的中程有序結構：提升突破性電學性能策略
由西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授及馮倩教授研究組在學術期刊 Applied Physics Letters 發布了一篇名為Double-pulsed-induced medium-range order in Sn-doped Ga2O3 thin films: A strategy for enhanced record-breaking electrical properties（雙脈沖誘導的 Sn 摻雜 Ga2O3 薄膜中的中程有序結構：提升突破性電學性能的策略）的文章。
1. 項目支持
本研究得到國家自然科學基金委員會（NSFC）資助（Grant No. U21A20503）。
2. 背景
寬禁帶半導體材料在電力電子和光電子器件中的應用日益增多，其中氧化鎵 (Ga2O3) 因其優異的物理和電學特性而備受關注。 Ga2O3 具有約 4.9 eV 的寬帶隙，在高溫和高電場條件下表現出優異的穩定性，并且具有低泄漏電流，是下一代高性能電子器件的理想選擇。然而，純 Ga2O3 薄膜的本征載流子濃度相對較低，限制了其電導率，難以滿足高效功率器件的需求。開發有效的摻雜策略以提高 Ga2O3 薄膜的載流子濃度和遷移率已成為當前研究的核心。 n 型摻雜，特別是使用 Sn 和 Si 等元素，已被廣泛研究以提高材料的導電性，其中 Sn 摻雜因其對載流子濃度的顯著影響而備受關注。傳統沉積方法通常會引入晶格缺陷并導致無序摻雜，這反過來又會導致載流子散射增加和遷移率降低，最終抵消通過摻雜實現的電導率改善。因此，在不損害薄膜晶體質量和化學均勻性的前提下引入摻雜劑是增強 Ga2O3 薄膜電學性能的關鍵挑戰之一。
3. 主要內容
本研究探討了通過雙脈沖金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法合成的 Sn 摻雜 Ga2O3 薄膜，重點闡述了該方法在改善薄膜微結構和電學性能方面的獨特優勢。研究結果表明，雙脈沖 Sn 摻雜技術通過間歇性原子供應，促進了 Sn 原子在 Ga2O3 晶格中的中程有序排列，從而減少晶格缺陷并提升結晶度。二次離子質譜進一步揭示了 95% 的摻雜活化率。值得注意的是，薄膜展現出卓越的電學性能，在載流子濃度為 2.17 × 1018 cm−3 時，霍爾遷移率達到 175.61 cm2/V·s。該值代表了在該載流子濃度下 β-Ga2O3 的最高遷移率，顯著超越了采用傳統連續沉積方法制備的薄膜性能。本研究為雙脈沖 MOCVD 的機理及其在 Ga2O3 基高性能電子器件中的應用潛力提供了寶貴見解，為優化下一代電子材料開辟了有效路徑。
4. 創新點
• 提出并驗證了一種基于雙脈沖沉積技術的創新方法，用于 Sn 摻雜 Ga2O3 的MOCVD 生長。
• 揭示了雙脈沖技術通過間歇性原子供應促進 Sn 原子在 Ga2O3 晶格中形成中程有序 (MRO) 結構的機制。
• 證明了 MRO 結構的形成能夠顯著減少晶格缺陷，提高結晶度，并使 Sn 原子高度均勻有序地融入晶格。
• 提供了通過精確控制原子分布和摻雜濃度來優化下一代電子材料性能的有效途徑，特別強調了 MRO 結構在減少缺陷散射、提高電子遷移率方面的重要作用。
5. 總結
研究團隊通過雙脈沖 MOCVD 技術對 Sn 摻雜 Ga2O3 薄膜的微觀結構和電學性能進行了系統性優化分析。雙脈沖沉積過程的間歇性特征——即在每次沉積脈沖與間歇期間對原子供應進行精確控制——在促進 Sn 原子在 Ga2O3 晶格中的納米尺度 MRO 過程中發揮了關鍵作用。這種局部有序化提升了載流子遷移率和摻雜活化效率，從而顯著改善了薄膜的電學性能。具體而言，采用雙脈沖技術沉積的薄膜的霍爾遷移率達到了令人印象深刻的 175.61 cm2/V·s，同時載流子濃度為 2.17 × 1018 cm−3。此外，SIMS 與霍爾測試結果的結合表明，該沉積模式下的摻雜激活效率高達 95%，凸顯了該技術在提升摻雜效率和優化薄膜導電性方面的有效性。這一突破為高性能 Ga2O3 基電子器件的開發提供了寶貴基礎，為制備先進摻雜氧化物半導體提供了有前景的方法，這類材料在未來電子和光電子器件中可能具有重要應用。
圖1. （a） 和 （b） 分別顯示了未脈沖和雙脈沖樣品的AFM表面形態圖像；（c） 和 （d） 展示了襯底、未脈沖和雙脈沖樣品的XRD圖和拉曼光譜。
圖2. β-Ga2O3 薄膜的 XPS 核心能級光譜：（a）和（b）Ga 3d。（c）Ga3+ 和 Ga+ 的百分比。（d）和（e）O 1s。（f）晶格氧和非晶格氧的百分比。（g）和（h）Sn 3d。（i）Sn4+ 和 Sn0 的百分比。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0257824
本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號