β-Ga₂O₃的光致发光与拉曼映射研究：铁掺杂单晶的缺陷与发射特性分析

作者及发表信息
本研究由华盛顿州立大学（Washington State University）的Cassandra Remple、Jesse Huso和Matthew D. McCluskey合作完成，发表于2021年10月7日的《AIP Advances》期刊（Volume 11, 105006）。Jesse Huso同时隶属于Klar Scientific公司，Matthew D. McCluskey为通讯作者。

学术背景
β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种超宽带隙半导体（禁带宽度4.5–4.8 eV），在功率电子器件中具有高击穿场强的优势。通过掺杂铁（Fe）可制备半绝缘衬底，但晶体生长过程中会引入铬（Cr³⁺）等杂质，影响材料的光电性能。本研究旨在通过光致发光（Photoluminescence, PL）和拉曼（Raman）空间映射技术，揭示β-Ga₂O₃:Fe中Cr³⁺的发射特性及表面缺陷的化学组成，为器件制备提供缺陷控制依据。

研究流程与方法
1. 样品制备
- 研究对象：采用Czochralski（CZ）法生长的(100)面β-Ga₂O₃:Fe单晶（Synoptics公司提供），经化学机械抛光（CMP）处理。
- 对比样品：未故意掺杂（UID）的β-Ga₂O₃（Tamura公司通过EFG法生长），经氢气氛退火（950°C）。

1. 光谱测量

   • PL与PLE（光致发光激发）光谱：使用Horiba Jobin-Yvon Fluorolog-3光谱仪，室温下以240–600 nm波长激发，检测Cr³⁺的发射峰（690 nm、696 nm、709 nm）及吸收边（280 nm）。
     
   • 空间分辨PL映射：采用Klar Mini Pro显微镜，355 nm激光激发，步长2 μm，通过GPU加速拟合高斯函数分析发射强度分布。
     

2. 拉曼映射

   • 与PL映射同步进行，532 nm激光激发，步长2 μm，通过Voigt函数拟合拉曼峰，关联缺陷区域的化学组成。
     

3. 数据分析

   • 通过PL强度分布识别Cr³⁺条纹（生长杂质不均匀性）及局部发射中心（1.26 eV、1.40 eV、1.65 eV）。
     
   • 拉曼峰（2892 cm⁻¹、2930 cm⁻¹等）与烃类或有机金属化合物匹配，3.27 eV发射中心的2910/2968 cm⁻¹峰归因于Si–CH₃（可能源自CMP抛光剂或硅管退火污染）。
     

主要结果
1. Cr³⁺的PL特性
- 观察到Cr³⁺的尖锐发射峰（690 nm、696 nm）及宽峰（709 nm），PLE谱显示430 nm和600 nm吸收带，与Cr³⁺的⁴A₂→⁴T₁/⁴T₂跃迁一致。
- PL映射显示Cr³⁺发射强度呈条纹状分布，与晶体生长旋转导致的杂质偏析相关。

1. 局部缺陷发射

   • 表面缺陷在983 nm（1.26 eV）和886 nm（1.40 eV）处呈现空间局域化发射，拉曼分析表明其与烃类污染物相关。
     
   • 3.27 eV紫外发射中心（二次衍射峰1.65 eV）的拉曼峰（2910/2968 cm⁻¹）证实为Si–CH₃，可能源于CMP工艺或硅管退火。
     

2. 缺陷形成机制

   • 不同样品（CMP抛光与氢退火）均检测到Si–CH₃，表明硅污染在β-Ga₂O₃表面具有普遍性，需进一步研究其形成动力学。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 揭示了β-Ga₂O₃:Fe中Cr³⁺的发射行为与生长缺陷的关联性，为晶体质量控制提供依据。
- 首次通过拉曼映射证实表面Si–CH₃污染的存在，指出CMP工艺和退火环境对器件性能的潜在影响。

1. 应用价值
   
   • 对功率电子器件衬底制备中缺陷控制的优化具有指导意义，例如通过改进生长工艺减少杂质条纹，或优化抛光流程降低硅污染。
     

研究亮点
1. 方法创新
- 结合PL与拉曼空间映射技术，实现了缺陷化学组成与发光特性的原位关联分析。
- 开发GPU加速拟合算法，提升了大面积扫描数据的处理效率。

1. 重要发现
   
   • Cr³⁺发射条纹为晶体生长非均匀性提供了直接证据。
     
   • 表面Si–CH₃的鉴定为β-Ga₂O₃工艺污染控制提出了新挑战。
     

其他有价值内容
- 补充材料中提供了PL拟合模型（高斯/双高斯函数）及缺陷区域的显微图像，支持数据可靠性。
- 作者指出需进一步研究Si–CH₃的形成机制及其对器件电学性能的影响。