【国际论文】脉冲激光法沉积钨掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的结构、表面/界面化学性质和光学特性

        近期，由美国得克萨斯大学埃尔帕索分校的研究团队在学术期刊RSC Applied Interfaces发布了一篇名为Structure, surface/interface chemistry and optical properties of W-incorporated β-Ga₂O₃ films made by pulsed laser deposition （脉冲激光法沉积钨掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的结构、表面/界面化学性质和光学特性 ）的文章。

摘要 

        氧化镓 (Ga₂O₃) 是一种超宽带隙材料，因其在极端环境中的出色性能而成为下一代电子和光电器件的有力候选材料。在本研究中，通过调节氧分压 (pO₂)，利用脉冲激光沉积 (PLD) 制备了含耐火钨 (W) 的Ga₂O₃薄膜 (GWO 或 Ga-W-O)。氧分压是控制多组分氧化物薄膜生长、结构和性能的最重要热力学参数。通过 X 射线光电子能谱、拉曼光谱、原子力显微镜、紫外-可见光谱和光致发光光谱等表征技术，研究了可变 pO₂ 对 Ga-W-O 薄膜结构、表面化学、化学键合、光学特性及光电探测器性能的影响。结果显示，掺钨的Ga₂O₃ 薄膜未表现出次生相生成。钨对Ga₂O₃薄膜的化学和光学特性影响显著。当原子迁移率在较低工作压力下较高时，W⁵⁺ 形成占主导地位，而较高工作压力下的较低迁移能量则有利于 W⁶⁺ 的形成。相比之下，随着 pO₂ 的增加，薄膜的价带最大值 (VBM) 向更高能量微小偏移，证实了在 PLD 制备的 Ga-W-O 薄膜中 O 2p 态对 VBM 的主导作用。此外，光学带隙变化不大，但发光峰出现了轻微的蓝移，表明 W 选择性掺入 Ga₂O₃基体中。通过优化工艺条件，成功展示了基于 PLD GWO 薄膜的高性能紫外光电探测器。这一结构-性能关联为生产具有优异结构和光学特性的掺钨β-Ga₂O₃薄膜，进而集成到光电和光子器件应用中提供了重要参考。

图 1 在不同 pO₂ 条件下沉积的 PLD W-incorporated β-Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 数据。所示数据为 (a) 勘测 XPS 扫描和 (b) Ga 2p、(c) O 1s 和 (d) W 4f 的高分辨率核级 XPS 光谱。数据表明，在沉积过程中，无论 pO₂如何变化，Ga 离子的构型都很稳定。数据和分析表明，W 离子的复杂化学性质取决于 pO₂。

图 2 (a) W 掺杂的 β-Ga₂O₃  薄膜表面 W⁵⁺ : W⁶⁺  离子比率与 pO₂ 的函数关系。(b-e）薄膜的价带 XPS 光谱外推法和（f）价带最大值随 pO₂ 增加的变化。

DOI：

doi.org/10.1039/D4LF00257A