【国内论文】JAC丨墨子实验室联合上海市宽禁带与超宽禁带半导体材料重点实验室：EFG 法生长钒掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的退火效果研究

        由墨子实验室联合上海市宽禁带与超宽禁带半导体材料重点实验室在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Research on nitrogen annealing of V-doped β-Ga₂O₃ single crystals grown by EFG（EFG 法生长 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的氮退火研究）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为第四代超宽禁带半导体，其禁带宽度约 4.8 eV，具有极高的击穿电场和巴利加优值。它在功率电子器件以及日盲紫外探测领域具有显著的应用潜力。虽然通过掺杂 Sn、Si 等元素可以实现 n 型导电，但许多功率器件的应用需要材料具有高电阻率。利用过渡金属作为深能级杂质，是抑制背景载流子浓度、实现半绝缘化的一种有效手段。钒（V）作为过渡金属，其能级位于氧化镓禁带深处。相比于 Fe 掺杂，V 掺杂在高温下的热稳定性和电荷补偿机制值得深入探讨。晶体在生长过程中不可避免会产生氧空位等原生缺陷。通过在特定气氛下进行后退火处理，可以进一步调节缺陷分布、消除内部应力并优化电学性能，是制备高质量衬底的必经之路。

        通过掺杂和热退火调控超宽带隙β-氧化镓（β-Ga₂O₃）的电学与光学特性，一直是半导体研究的焦点。本文采用倒模法生长（EFG）技术，成功合成了高质量的 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体。通过多种表征方法系统考察了 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 在氮气环境退火前后晶体结构、光学及电学性质的变化。退火处理显著提升了晶体质量。经 N₂ 退火后，载流子浓度降低而非增强，红外透射率提升，中高频拉曼声子峰强度发生改变，这些变化归因于 Ga 空位形成、碳 DX 中心破坏及间隙 Ga 捕获电子。间隙 Ga 与 Ga 空位浓度的变化导致蓝光发光峰面积比增大。这些发现深入揭示了 N₂ 退火对 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体结构与性能的影响机制。

        ● 研究通过 XPS 证实了退火后 V 离子价态的转变，并结合电学数据阐明了 V 掺杂与残余氧空位之间的动态平衡关系。

        ● 证明了在 N₂ 还原性/中性气氛下，虽然环境不含氧，但长时高温退火仍能通过原子重排显著改善晶格质量，使主衍射峰的半高宽（FWHM）明显变窄。

        ● 发现退火后光学带隙从约 4.67 eV 移动至 4.58 eV 左右，这归因于退火过程中杂质能级重新分布及局域态密度的变化。

        采用 EFG 法成功生长出具有 (100) 晶面的 2 英寸 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶。对样品在氮气热处理前后进行了摇摆曲线、霍尔效应、XPS、光学透射率、拉曼光谱及光致发光特性测试。经退火处理后样品的半高宽值分别为 39.6″ 和 28.8″，表明其晶体质量优于未退火样品。退火后自由电子浓度下降、近红外透射率增强及拉曼峰强度变化，可归因于 V_Ga 作为深能级受主形成，以及掺入的氮原子破坏了碳DX中心作为浅能级施主的作用。同时，镓离子 (Ga³⁺) 捕获电子转化为 Ga²⁺，进一步促进退火后载流子浓度降低。室温光致发光光谱显示，经 N₂ 退火后蓝色发射峰比例增加，归因于 G_ai 和 V_Ga 浓度的提升。

        本工作得到国家自然科学基金（52488301）和上海市战略前沿专项（24DP1500100）的支持。作者同时感谢杭州富加镓业科技有限公司在晶体生长与加工方面提供的帮助。

图1. (a) EFG装置及 (b) 用于 β-Ga₂O₃ 块体单晶生长与退火的管式炉。

图2. (a) 未掺杂和 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体的高清 XRD 衍射图谱。(b) 2 英寸 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体照片。

图3. (a-c) 原生及 N₂ 退火的 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体的摇摆曲线，(d-f) 2D 原子力显微镜图像，(g-i) 3D 原子力显微镜图像。

图4. (a) V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体的 I-V 特性曲线。 (b) β-Ga₂O₃ 单元胞的单斜晶结构。

图5. (a-c) C 1s, (d-f) O 1s, (g-i) Ga 3d XPS 核心能级谱，展示了生长后及 N₂ 退火处理的 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶。

图6. (a) 未掺杂、原生及 N₂ 退火处理的 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体的透射光谱；(b) 对应晶体的光学带隙。

图7. 未掺杂、原生及 N₂ 退火处理的 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体的拉曼光谱。

图8. V 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的室温光致发光光谱：(a) 原生，(b)N₂ 退火 (20 小时)，(c)N₂ 退火 (40 小时)，以及 N₂ 退火 (超过 40 小时)。(d) 退火时间与 V 掺杂 β-Ga₂O₃ 样品中各发光峰面积比例的关系。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.186909