【研究梗概】

在科技的快速發(fā)展中，超寬禁帶半導體材料逐漸成為新一代電子與光電子器件的研究熱點。而在近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）先進半導體實驗室一項關于超寬禁帶氧化鎵（Ga₂O₃）晶相異質結（Phase Heterojunction）的新研究發(fā)表在《Advanced Materials》上。論文第一作者為陸義博士。文章首次在實驗中展示了β相和κ相Ga₂O₃之間的清晰的、明確的、原子排列有序的、并具有II型能帶對齊的晶相異質結，為研究Ga₂O₃/Ga₂O₃晶相異質結提供了新的見解，并證明利用晶相異質結可以極大促進電子器件的發(fā)展。

【具體研究內容】

超寬禁帶半導體氧化鎵（Ga₂O₃）因其超寬禁帶寬度、較高的電子遷移率以及高擊穿電場，正逐漸成為先進電子器件（如日盲探測和高功率電子器件）的理想候選材料。氧化鎵表現(xiàn)出多種晶相，包括α、β、γ、δ、ε和κ相。其中，具有單斜結構的β相氧化鎵因其熱力學穩(wěn)定性和襯底的可用性而最受關注?；谕庋?beta;相氧化鎵薄膜的深紫外探測器、肖特基二極管及場效應晶體管的應用已得到廣泛驗證。近年來，研究通過金屬氧化物催化外延生長，利用Sn作為催化劑成功誘導κ相氧化鎵的形成。這種方法生產(chǎn)的κ相氧化鎵薄膜表現(xiàn)出高質量及卓越的器件性能。

與氧化鎵類似，許多材料本身也具有多種晶相，每種晶相都呈現(xiàn)出獨特的結構特性。即使是相同材料的不同晶相，其物理和化學特性也可能因載流子遷移率、化學穩(wěn)定性及能帶結構的差異而顯著變化。部分研究已報道了“晶相異質結(Phase Heterojunction)”的成功構建，即在同一材料的不同晶相之間形成的結。這些異質結在多種應用中表現(xiàn)出顯著的性能提升，包括太陽能電池、光催化、晶體管、水分解以及光電探測器。

因此，將不同Ga₂O₃晶相（α、β、γ、δ、ε和κ）集成以形成Ga₂O₃/Ga₂O₃晶相異質結，可能通過各相之間帶隙或電子親和力的差異，產(chǎn)生獨特的異質結特性。一些研究通過對亞穩(wěn)相（如α相或γ相）退火以部分轉變?yōu)樽顭岱€(wěn)定的β相，從而形成Ga₂O₃/Ga₂O₃結，然而，但這些結通常為隨機分布的多晶混合晶相（mixed phase junctions），界面模糊且具有多種晶體取向，如圖1（a）所示。對于適合晶圓級別半導體制造及研究晶相界面的物理特性來說，清晰的、明確的、原子排列有序的晶相異質結（如圖1 b）尤為重要，然而，由于兩種晶相間具有相似的化學計量比以及外延困難，這種晶相異質結的研究長期以來被忽視。該異質結的形成對于需要高效光生載流子分離的各種電子和光電子應用具有重要潛力。然而，目前關于Ga₂O₃異質結的能帶排列的直接實驗驗證仍不明確，其電學性質也因界面外延困難而未被研究。

圖1. 示意圖（a）已報道的混合晶相異質結；(b) 本研究中界面清晰的β/κ-Ga₂O₃晶相異質結

因此，在本研究中，我們展示了一種界面清晰的β/κ Ga₂O₃晶相異質結，其具有II型能帶排列，形成耗盡區(qū)以高效分離電子-空穴對，并實現(xiàn)自供電的深紫外探測。圖2可以明顯看出，正交晶系κ-Ga₂O₃與單斜晶系β-Ga₂O₃的XRD圖譜存在顯著差異。通過SIMS測得的β相/κ相Ga₂O₃樣品中元素的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)Sn和Si的強度在β相和κ相Ga₂O₃界面處顯著增加。這一現(xiàn)象可歸因于在沉積κ相Ga₂O₃時使用的靶材（Ga₂O₃:SnO₂:SiO₂，98.4%:1.5%:0.1%，重量比）中含有Si和Sn的成分。Sn的引入具有雙重作用：一方面，在高真空環(huán)境下通過減少亞氧化物（Ga₂O）的刻蝕促進了Ga₂O₃的形成；另一方面，Sn占據(jù)了八面體晶格位置，從而促進了κ相的合成。此外，由于Si在Ga₂O₃中具有兩性行為，特別是在κ相Ga₂O₃中，Si在κ-Ga₂O₃中作為受主（或補償劑）而非施主，從而導致κ相Ga₂O₃表現(xiàn)出高絕緣的特性。

圖2 . β相/κ相Ga₂O₃異質結生長

圖3 顯示了κ相Ga₂O₃與β相Ga₂O₃的高分辨率TEM圖像，清晰地揭示了原子排列及其清晰的界面（用藍色虛線曲線標示）。圖3(c)提供了β相與κ相Ga₂O₃界面的放大圖，并疊加了原子模型。單斜晶系β相Ga₂O₃的晶體模型（空間群#12, C2/m）沿[-201]生長方向與HR-TEM圖像中的晶格排列很好地匹配。對于κ相Ga₂O₃，正交晶系的晶體模型（空間群#33, Pna21沿[010]區(qū)軸也與HR-TEM圖案一致。界面清晰且通過原子模型準確映射，展現(xiàn)了從κ相平滑過渡到β相的β/κ Ga₂O₃異質結.

XPS測試 （圖4）揭示了β-Ga₂O₃/κ-Ga₂O₃異質結的II型能帶對齊，其導帶和價帶偏移分別為0.71 eV和0.65 eV，表明界面處存在強電場。這種界面電場能夠在無外加偏壓的情況下有效分離光生電子-空穴對。這種II型異質結的一個有前景的應用是檢測日盲深紫外信號，尤其是在自供電模式下。因此，所展示的II型單晶β-Ga₂O₃/κ-Ga₂O₃異質結，由于其界面電場以及相似的吸收邊，可能在自供電DUV光探測方面表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。

與單個晶相Ga₂O₃光電探測器相比，晶相異質結的光響應度提升了約三個數(shù)量級。在零偏壓下，所展示的光電探測器的響應度、開關比、探測度、外量子效率以及上升/下降時間分別達到了17.8 mA/W, 580.8, 1.69×10¹⁰ Jones, 9.2%, and 0.21/0.53 s秒，其性能優(yōu)于已報道的Ga₂O₃/Ga₂O₃混合相異質結光電探測器。

圖4. XPS測試及能帶對齊

圖5. 在零偏壓下的光響應光譜

圖6.  β/κ-Ga₂O₃晶相異質結光電探測器在不同偏壓下的光電流光譜

【結語】

鑒于Ga₂O₃具有多種晶相（α、β、γ、δ、ε和κ），未來可通過構建涉及不同Ga₂O₃相的各種異質結進一步研究其異質結特性，并推動電子器件應用的發(fā)展。本研究中展示的κ/β Ga₂O₃異質結為進一步研究Ga₂O₃/Ga₂O₃晶相異質結提供了新思路，開啟了新的探索機會。未來，隨著更多晶相異質結設計的突破，超寬禁帶半導體Ga₂O₃材料有望在光電和電子技術領域持續(xù)引領創(chuàng)新！

【作者簡介】

通訊作者：李曉航教授是沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）電子與計算機工程學院副教授及先進半導體實驗室的PI兼博士生導師?，F(xiàn)為Photonics Research副編輯和Journal of Semiconductor編委。擔任IWN等多個國際主要會議的程序或組織委員會成員。李曉航教授團隊致力于第三代半導體超寬禁帶材料、器件、物理、設備的研究，涉及器件包括LED、激光器、晶體管、光電探測器和傳感器等。這些領域預期會在未來對光電電子通信生化和生命科學等領域帶來革命性的影響。

第一作者：陸義，博士畢業(yè)于沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）先進半導體實驗室，現(xiàn)為美國威斯康星大學麥迪遜分校博士后研究員。長期從事超寬禁帶半導體（III-Nitride, III-Oxide）異質結材料、器件、物理的研究，在Advanced Materials等國際期刊發(fā)表學術論文四十余篇，在CSW, IPC, IWUMD等多個國際會議上做口頭報告和海報展示二十余次，長期擔任OSA, IEEE, ACS, IOP, Elsevier, Springer等出版社旗下期刊審稿人，并受邀擔任SCI期刊客座編輯。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202406902