【会员论文】厦门理工学院研究团队--- ZrSiO/β-Ga₂O₃，AlSiO/β-Ga₂O₃ 异质结的能带结构与能带带阶研究

        由厦门理工学院陈铖颖研究员、张弘鹏老师研究团队在学术期刊 ECS Journal of Solid State Science and Technology 发布了一篇名为  Spectroscopic Calculation of Band Alignment Between High Permittivity Composites ZrSiO, AlSiO and β-Ga₂O₃（β-Ga₂O₃ 同高 k 复合介质ZrSiO，AlSiO 构成的异质结能带带阶的光谱学研究）的文章。

        本研究得到国家自然科学基金委员会（NSFC）（Grant No. U21A20501, 62474139, 62404186）、厦门市科技计划项目（No. 3502Z20227070, 3502Z20206074）、厦门市重大科技项目（No. 3502Z20221022）的资助。

        β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因超宽禁带、高临界击穿场强等材料特性及日趋成熟的单晶制备及外延生长技术，成为下一代功率器件和深紫外探测器的热门候选材料。其中 MOS 结构被广泛应用于 β-Ga₂O₃ 功率器件（如晶体管、MOS-type 二极管或器件钝化层）和光电探测器，以改善器件栅控性能和可靠性。为充分发挥 β-Ga₂O₃ 高临界击穿场强的优势，β-Ga₂O₃ 与高介电常数介质（高k介质）构筑 MOS 结构被认为是有效调控栅极和表面电场的方案之一，例如HfO₂, HfSiO, HfAlO,乃至更高介电常数的BaTiO₃,SrTiO₃ 先后报道用于 β-Ga₂O₃ 晶体管和二极管器件以改善器件栅控和电场分布，有效提升器件击穿场强，具有较大的应用潜力。因此，本团队在此前研究 (HfAlO/β-Ga₂O₃,BaTiO₃/β-Ga₂O₃,SrTiO₃/β-Ga₂O₃ 等)基础上，探索 β-Ga₂O₃ 同高 k 复合介质ZrSiO，AlSiO的能带结构，为开发高性能 β-Ga₂O₃ 基电子器件提供实验启示和理论指导。

        本文系统地研究了在 β-Ga₂O₃ 薄膜上生长高k复合介质 ZrSiO，AlSiO 薄膜的微观结构、薄膜质量、能带带阶和界面特性。本研究分别采用低压化学气相沉积（LPCVD）技术和射频磁控溅射技术（RF PVD）制备 β-Ga₂O₃ 薄膜和 ZrSiO，AlSiO 薄膜；采用了先进的表征技术，包括 X 射线光电子能谱 (XPS)、原子力显微镜 (AFM) 和X射线衍射 (XRD)，以阐明制备薄膜的表面形貌、晶体结构、原子成键及能带带阶。结果表明，基于上述工艺和合适的工艺参数所制备的 β-Ga₂O₃ 和 ZrSiO，AlSiO 薄膜具有良好的薄膜质量、表面平整性(RMS 较低)。此外，经表征数据分析可知，异质结 ZrSiO/β-Ga₂O₃ 和 AlSiO/β-Ga₂O₃ 均展现出嵌套式的I型能带结构，且具有极大的导带带偏（分别是1.74 ± 0.03, 2.30 ± 0.02 eV）和价带带偏（分别是0.41 ± 0.03, 0.76 ± 0.02 eV），可有效阻碍载流子的输运，降低MOS结构漏电流。

        这项研究探索了 ZrSiO/β-Ga₂O₃ 和 AlSiO/β-Ga₂O₃ 异质结的薄膜质量、界面特性和能带带阶，为开发高性能宽带隙半导体器件提供了实验启示和理论指导。

        采用X 射线光电子能谱 (XPS)、原子力显微镜 (AFM) 和X射线衍射 (XRD)，首次对异质结 ZrSiO/β-Ga₂O₃ 和 AlSiO/β-Ga₂O₃ 进行了系统的研究。

        探索研究了 ZrSiO，AlSiO，β-Ga₂O₃ 的晶体结构、表面形貌，阐明了 ZrSiO/β-Ga₂O₃ 和 AlSiO/β-Ga₂O₃ 的能带结构及能带带阶。

        研究结果为高性能 β-Ga₂O₃ 器件的器件研制研究提供了实验启示和理论指导，提出两种有望运用于 β-Ga₂O₃ 基电子器件的高 k 介质方案。

图1 (a,d) β-Ga₂O₃, (b,e) ZrSiO, (c,f) AlSiO 薄膜的原子力显微镜图像

图2 在蓝宝石衬底上生长的 β-Ga₂O₃, ZrSiO, AlSiO 薄膜的X射线衍射图像

图3 基于X射线光电子能谱对 β-Ga₂O₃ 进行原子成键分析和禁带宽度提取

DOI：

doi.org/10.1149/2162-8777/adc3c9