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【国际论文】钛掺杂溶胶-凝胶法制备的Ga₂O₃薄膜的生长与性质研究
日期：2025-06-23阅读：12
由新西兰坎特伯雷大学的研究团队在学术期刊 Journal of Vacuum Science & Technology A 发布了一篇名为 Growth and properties of Sn-doped sol-gel Ga2O3 thin films（钛掺杂溶胶-凝胶法制备的 Ga2O3 薄膜的生长与性质研究）的文章。该篇文章被期刊评选为精选文章。
通讯作者
本文通讯作者 Martin Allen
Martin Allen教授现任职于新西兰坎特伯雷大学电气工程系。拥有英国布里斯托尔大学物理学学士学位（荣誉），英国牛津大学等离子体物理学硕士学位，以及坎特伯雷大学电气工程学博士学位。
当前Martin Allen教授团队的研究方向包括金属氧化物半导体的基本性质及其在商业设备中的应用，主要对于紫外光谱中具有光学活性的材料进行深入研究。
背景
β-氧化镓（β-Ga2O3）作为一种超宽禁带半导体（带隙约 4.8 eV），因其在功率电子器件和日盲紫外探测器方面的巨大潜力而备受关注。为了制造有源电子器件，实现可控的 n 型导电性至关重要。锡（Sn）是 β-Ga2O3 中一种有效的浅施主掺杂剂，通过替代 Ga 位能够显著提高材料的电子浓度。传统的 Ga2O3 薄膜生长方法，如分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD），虽然能制备高质量薄膜，但设备昂贵、工艺复杂。溶胶-凝胶法（Sol-gel）结合旋涂是一种低成本、简单、可扩展的非真空溶液法，为大面积、低成本制备氧化物薄膜提供了一种有吸引力的替代方案。然而，sol-gel 制备的薄膜质量通常依赖于前驱体化学和退火条件。因此，研究 Sn 掺杂浓度和退火温度对 sol-gel Ga2O3 薄膜性能的影响对优化在器件中的应用至关重要。
主要内容
Ga2O3 是一种具有超宽带隙的半导体材料，其热稳定性和击穿强度极高，因此在高效率电力电子设备和日盲紫外光探测器等领域引起了广泛关注。然而，通过物理气相沉积法制备 Ga2O3 薄膜通常成本较高，这是因为在沉积过程中会产生易挥发的亚氧化物，这些亚氧化物会显著限制薄膜的生长速率。在本研究中，采用了一种低成本的溶液法溶胶-凝胶技术，实现了 Ga2O3 薄膜的快速制备。通过 sol-gel 在c面蓝宝石衬底上生长出高品质（100%透明、0.3 nm 均方根粗糙度）的 Sn 掺杂 Ga2O3 薄膜，厚度可达 500 nm。所得薄膜为非晶态，并具有足够的电导率，可用于制备具有四个数量级整流效应（在±10 V下）的 PtOx/Pt 肖特基二极管。在 N2 气氛中于 600℃ 以上进行的后生长退火处理引入了多晶 β-Ga2O3 相，但并未改善电导率。本研究证明了高度可扩展的溶胶-凝胶技术能够快速制备低成本的 Sn 掺杂 Ga2O3 薄膜，并首次在故意掺杂的溶胶-凝胶 Ga2O3 薄膜上制备了肖特基二极管器件。
创新点
● 对通过低成本、非真空的溶胶-凝胶旋涂法合成的 Sn 掺杂 β-Ga2O3 薄膜进行了系统而全面的研究。
● 揭示了两个关键工艺参数，Sn 掺杂浓度和沉积后退火温度。与薄膜的结构、光学和电学性质之间的关联。
● 确定了在 sol-gel 制备的 Sn:Ga2O3 薄膜中获得最高导电性的最佳工艺窗口。
● 成功地通过简单的溶液法制备了高导电性的 n 型 β-Ga2O3 薄膜，其性能与一些真空法制备的薄膜具有可比性。
结论
采用快速旋涂 sol-gel，在 c 面蓝宝石衬底上制备了厚度达 500 nm 的高透明度、高平滑度的单层和多层非晶态 Ga2O3 薄膜。通过向 Ga(NO3)3⋅xH2O/EtOH 前驱体溶液中加入 SnCl2，制备了 Sn 掺杂的导电薄膜。在制备 PtOx/Pt 肖特基二极管时，采用 0.01 at.%优化 Sn 掺杂浓度，其整流比可达四个数量级。生长后在 600℃ 及以上温度进行退火处理会在薄膜中引入 β-Ga2O3 相，但并未显著提升电导率，且在 800℃ 及以上温度下电导率反而下降，这很可能是由于 c 面蓝宝石衬底中的铝扩散所致。本研究展示了溶胶-凝胶技术在制备低成本 Sn 掺杂 Ga2O3 薄膜及肖特基二极管等电子器件方面的潜力。
实验图示
图1. 0.01%锡掺杂 sol-gel 制备的 Ga2O3 薄膜的透射光谱，薄膜厚度逐渐增加。插图：用于确定材料带隙的 Tauc 图，基于图 1 中对应的透射光谱绘制。
图2. 扫描电子显微镜（SEM）图像显示了一种五层 sol-gel 制备的 Ga2O3 薄膜的横截面视图（在薄膜表面沉积了一层150 nm厚的Ti/Au层，以防止成像过程中产生静电）。
DOI：
doi.org/10.1116/6.0004540
