研究报告：氮掺杂p型β-Ga2O3薄膜的组成与性能
本研究由刘怡（Yi Liu）、魏素芬（Sufen Wei）、单璨（Chan Shan）、赵名杰（Mingjie Zhao）、连水阳（Shui-Yang Lien）以及李名奎（Ming-Kwei Lee）等人完成，发表在《Journal of Materials Research and Technology》期刊，2022年10月在线出版。该研究主要探讨了通过氮气（N2O）环境中的热氧化过程制备氮掺杂p型β-Ga2O3薄膜的组成和性能改进，尤其是在不同氧化温度下，材料的电导率和晶体结构的变化。
本研究所涉及的学术领域主要是半导体材料与器件的物理和化学特性，尤其关注在宽禁带材料β-Ga2O3（单斜相Ga2O3）中的p型导电性。β-Ga2O3具有约4.9 eV的超宽禁带，以及在常温常压下表现出的优异热稳定性，这使其在太阳盲紫外光探测器、光催化剂、气体传感器、太阳能电池等应用中具有巨大潜力。然而，Ga2O3材料的p型导电性一直是一个挑战，通常需要通过掺杂实现。氮（N）掺杂被认为是实现Ga2O3 p型导电性的有前景的方法，但如何有效地提高氮掺杂的浓度并优化材料的导电性能，仍是当前研究的一个热点。
本研究的目的是探讨通过热氧化过程在N2O气氛中掺氮来生长p型β-Ga2O3薄膜，并系统地分析氧化温度对薄膜电导性能、晶体结构及表面形态的影响。
本研究包括多个步骤，首先选择了未掺杂的n型GaN单晶片作为基底，通过在不同的氧化温度下（900°C至1100°C）使用N2O气氛进行热氧化。接下来，研究了不同氧化温度下生长的β-Ga2O3薄膜的结构和电学性能。为了获得详细的材料表征，研究人员使用了X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、二次离子质谱（SIMS）、透射电子显微镜（TEM）等多种表征技术。
研究使用了来自厦门大学的未掺杂n型GaN衬底，首先对样品进行清洗去除表面污染物。然后，样品被放入水平石英管炉中，在N2O气氛下进行热氧化处理，温度范围从900°C到1100°C，氧化时间为60分钟。氧化后的样品进一步冷却至室温。
为了评估氮掺杂β-Ga2O3薄膜的电学性能，研究人员在不同温度下进行霍尔效应测量，特别是在真空环境中进行，以排除大气中气体吸附对结果的影响。此外，还进行了I-V特性测试以评估欧姆接触性能。
采用XRD技术分析了不同氧化温度下薄膜的相结构，并结合AFM和FESEM表征了薄膜表面的形貌。在氧化温度较高的样品中，表面粗糙度明显增加，形成了纳米棒结构。通过TEM进一步分析了纳米棒的晶体结构，确认其为单晶结构。
通过XPS和SIMS分析了薄膜中的氮分布。结果表明，氮的掺杂在薄膜中呈现出双向梯度分布，这表明N2O气氛有利于氮的有效掺入。
随着氧化温度的升高，β-Ga2O3薄膜的晶体质量有所改善。XRD结果表明，在氧化温度为1100°C时，β-Ga2O3薄膜的(2 01)衍射峰的半高宽度（FWHM）下降至0.237°，表明薄膜的结晶质量显著提高。此外，表面形态通过AFM和FESEM表征显示，随着氧化温度的增加，表面逐渐形成纳米棒结构。
霍尔效应测量表明，氧化温度大于或等于900°C时，样品的导电类型从n型转变为p型。随着氧化温度的增加，p型导电性不断增强。特别是当氧化温度达到1100°C时，样品的室温霍尔孔浓度达到了1.64 × 10^17 cm^−3，霍尔电阻率降至7.66 μΩ·cm，显著优于氧气氧化处理的结果。此外，在1100°C氧化处理的样品中，霍尔孔迁移率达到了4.98 cm^2·V^−1·s^−1，虽然迁移率低于氧气氧化的23.6 cm^2·V^−1·s^−1，但孔浓度的提高使得载流子散射更强，导致迁移率下降。
XPS和SIMS的分析结果表明，氮掺杂呈现出明显的梯度分布，这一现象有助于提高β-Ga2O3的p型导电性。特别是在1100°C氧化处理的样品中，氮掺杂的浓度相对较高，且氮在薄膜中的分布较为均匀。
在1100°C氧化处理的样品中，顶部形成了由纳米棒组成的松散薄膜，第二层则是相对致密的β-Ga2O3薄膜。TEM分析进一步确认了纳米棒的单晶结构，且具有(6 03)优选取向。
本研究成功地通过N2O气氛中的热氧化方法，在不同氧化温度下生长了高导电性的氮掺杂p型β-Ga2O3薄膜。研究表明，氧化温度的提高有助于增强p型导电性，并在1100°C时实现了最高的霍尔孔浓度和最低的霍尔电阻率。此外，研究还揭示了氮掺杂在β-Ga2O3薄膜中的双向梯度分布特性，这一发现为今后进一步优化p型β-Ga2O3薄膜的掺杂工艺提供了宝贵的经验。
该研究的成果对半导体材料的制备和性能提升具有重要意义，尤其是在太阳盲紫外光探测器、光催化剂以及高功率电子器件等领域的应用具有广泛前景。通过优化氧化温度和氮掺杂浓度，未来有望实现更加高效的p型β-Ga2O3薄膜，并推动相关领域的技术进步。
本研究的最大亮点在于通过N2O气氛中的热氧化方法有效地制备了高质量的氮掺杂p型β-Ga2O3薄膜，并揭示了氧化温度对薄膜电学性能和晶体结构的显著影响。此外，双向梯度氮掺杂分布的发现，为材料的性能优化提供了新的思路和方法。这些成果不仅为β-Ga2O3材料的应用开辟了新的可能，也为其他半导体材料的掺杂研究提供了参考。