西電郝躍院士、張進(jìn)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(xué)性能策略
由西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授及馮倩教授研究組在學(xué)術(shù)期刊 Applied Physics Letters 發(fā)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(xué)性能的策略）的文章。
1. 項目支持
本研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )（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(yōu)異的物理和電學(xué)特性而備受關(guān)注。 Ga2O3 具有約 4.9 eV 的寬帶隙，在高溫和高電場(chǎng)條件下表現出優(yōu)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(mǎn)足高效功率器件的需求。開(kāi)發(fā)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(zhù)影響而備受關(guān)注。傳統沉積方法通常會(huì )引入晶格缺陷并導致無(wú)序摻雜，這反過(guò)來(lái)又會(huì )導致載流子散射增加和遷移率降低，最終抵消通過(guò)摻雜實(shí)現的電導率改善。因此，在不損害薄膜晶體質(zhì)量和化學(xué)均勻性的前提下引入摻雜劑是增強 Ga2O3 薄膜電學(xué)性能的關(guān)鍵挑戰之一。
3. 主要內容
本研究探討了通過(guò)雙脈沖金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法合成的 Sn 摻雜 Ga2O3 薄膜，重點(diǎn)闡述了該方法在改善薄膜微結構和電學(xué)性能方面的獨特優(yōu)勢。研究結果表明，雙脈沖 Sn 摻雜技術(shù)通過(guò)間歇性原子供應，促進(jìn)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(zhì)譜進(jìn)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(xué)性能，在載流子濃度為 2.17 × 1018 cm−3 時(shí)，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(zhù)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(jiàn)解，為優(yōu)化下一代電子材料開(kāi)辟了有效路徑。
4. 創(chuàng )新點(diǎn)
• 提出并驗證了一種基于雙脈沖沉積技術(shù)的創(chuàng )新方法，用于 Sn 摻雜 Ga2O3 的MOCVD 生長(cháng)。
• 揭示了雙脈沖技術(shù)通過(guò)間歇性原子供應促進(jìn) 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(zhù)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(guò)精確控制原子分布和摻雜濃度來(lái)優(yōu)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(guò)雙脈沖 MOCVD 技術(shù)對 Sn 摻雜 Ga2O3 薄膜的微觀(guān)結構和電學(xué)性能進(jìn)行了系統性?xún)?yōu)化分析。雙脈沖沉積過(guò)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(jìn)行精確控制——在促進(jìn) Sn 原子在 Ga2O3 晶格中的納米尺度 MRO 過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)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(zhù)改善了薄膜的電學(xué)性能。具體而言，采用雙脈沖技術(shù)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(shí)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(shù)在提升摻雜效率和優(yōu)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(kāi)發(fā)提供了寶貴基礎，為制備先進(jìn)摻雜氧化物半導體提供了有前景的方法，這類(lèi)材料在未來(lái)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(tài)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(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號