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【国际论文】(100) β-(ScₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃异质结的结构和电学性质

日期：2025-07-28阅读：61

由东京科学大学的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Structural and electrical properties of (100) β-(Sc_xGa_1−x)₂O₃/ Ga₂O₃ heterojunctions （(100) β-(Sc_xGa_1−x)₂O₃/ Ga₂O₃ 异质结的结构和电学性质）的文章。

背景

超宽带隙半导体因其能够在高电压、高功率、高温和高辐射等恶劣条件下运行，近期一直是电力设备开发中备受关注的研究课题。在众多候选材料中，单斜晶 β-Ga₂O₃ 作为 Ga₂O₃ 最稳定的多晶型，因其可熔融生长大尺寸块状单晶，且电学性质可从半绝缘体到高导电性进行调控，以及其足够大的带隙能量（E_g）在 4.4–5.0 eV 之间，而备受青睐。尽管 β-Ga₂O₃ 具有独特的晶体结构，但通过阳离子取代实现带隙工程是可行的，这与其他III族化合物半导体（如纤锌矿型 InN–GaN–AlN 或刚玉型 Al₂O₃–Ga₂O₃ 体系）类似。这种方法使得生长适用于电子器件的拟态异质结构成为可能。特别是，调制掺杂异质结构（其中施主杂质被选择性地掺杂到势垒层中）具有吸引力，因为它们在界面处形成了二维电子气（2DEG）。β-Ga₂O₃ 中的高密度二维电子气预计将通过声子散射的屏蔽而超越块体电子迁移率。因此，它们可以应用于能够实现高频或高压操作的异质结场效应晶体管（HFETs）。

主要内容

通过脉冲激光沉积，在 (100) β-Ga₂O₃衬底上外延生长了连续组分梯度和重硅掺杂的 β-(Sc_xGa_1-x)₂O₃（0.04 ≤ x ≤ 0.20）薄膜。在室温下，团队研究了 x 值对结构和电学性质的影响。当 x ≤ 0.10 时，Pt/β-(Sc_xGa_1-x)₂O₃ 垂直肖特基势垒二极管（SBDs）的理想因子为 1.6-1.7，串联电阻小于 10 mΩ·cm²。此外，随着 x 从 0 增加到 0.10，有效肖特基势垒高度增加了约 0.2 eV。当 x > 0.10 时，SBDs 中的寄生串联电阻随 x 的增加呈指数增长，这归因于 β-(Sc_xGa_1-x)₂O₃外延层中的载流子局域化。这种行为与(100)取向的 β-Ga₂O₃ 基外延层中固有的非共格孪晶界密度的急剧增加有关。此外，0.04 ≤ x ≤ 0.11 的 β-(Sc_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃界面容纳了面密度为 5-6 × 10¹² cm^-2 的二维电子，这与在 (010) β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 界面观察到的结果相当。本研究展示了实现 β-Ga₂O₃ 中调制掺杂及其在异质结场效应晶体管中应用的新材料设计。

结论

本文研究了(100)取向 β-(Sc_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 外延层的各种性质与 x 的函数关系，包括带有 Pt 电极的肖特基势垒二极管（SBDs）的电学特性以及与 Ga₂O₃ 衬底界面的 2DEG。在 SBDs 的 J-V 曲线中，x ≤ 0.12 的样品表现出清晰的整流行为，而当x > 0.10时电阻率的指数增加则归因于 β-(Sc_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃外延层的绝缘行为。此外发现 ϕ_SBH,eff的线性增加与 ΔE_g(x) 相对应。通过 AFM 和 EBSD 检测，发现表面形貌和微观晶体取向影响着温度相关的传输特性以及绝缘行为。简而言之，所有这些结果都可以用 (100) 取向 β-Ga₂O₃ 基外延层中固有的 ITBs 之间的晶粒特征尺寸和电离施主浓度来解释，这两者都随着 x 的增加而减小。(100) β-(Sc_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 界面的载流子密度分布揭示了当 x ≤ 0.11 时，形成了面密度为 5–6 × 10¹² cm^-2 的 2DEG。该值与 (010) β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 界面获得的值相当。尽管目前样品中 Si 施主的掺杂效率受到限制，特别是在 x > 0.10 时，但结果有助于基于 β-Ga₂O₃ 的高性能异质结器件的持续开发。

图1. 显示了1号样品在 400 衍射峰附近的面外 XRD 谱。标有星号（*）的反射峰来自(100) β-Ga₂O₃ 衬底。小图显示了 Sc 含量 x 沿横向长度 z 的变化，误差带与入射 X 射线的光斑大小相对应。

图2. 1 号样品在 x = 0.07、0.12 和 0.15 区域的AFM图像。上排和下排图像的扫描区域分别为 1 × 1 和 5 × 5 μm²。黑色箭头代表晶体方向。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0277701