本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
一、研究团队与发表信息
本研究由A. Navarro-Quezada（第一作者，现任职于奥地利约翰内斯开普勒大学）、Z. Galazka（德国莱布尼茨晶体生长研究所）、S. Alamé等合作完成，研究团队来自德国莱布尼茨分析科学研究所（ISAS）、莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）及柏林工业大学。研究成果发表于《Applied Surface Science》期刊2015年第349卷，页码368–373。
二、学术背景与研究目标
研究领域：宽禁带半导体材料表面科学与界面工程。
科学问题：β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种透明宽禁带半导体（禁带宽度4.85 eV），因其高电导率和紫外波段透明性，在功率电子器件和紫外光电器件中具有应用潜力。然而，其表面碳污染和电子耗尽层（electron depletion layer）导致的绝缘行为阻碍了外延生长（epitaxial growth）和欧姆接触（ohmic contact）的制备。
研究目标：通过光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）等手段，系统分析退火处理对β-Ga₂O₃（100）外延衬底（epiready substrate）表面化学性质、电子结构及形貌的影响，为后续外延生长提供表面处理依据。
三、研究流程与方法
1. 样品制备
- 研究对象：采用提拉法（Czochralski method）生长的n型β-Ga₂O₃（100）单晶衬底（载流子浓度n≈5×10¹⁷–10¹⁸ cm⁻³），分为两类：
- 化学机械抛光衬底（Epiready substrate）：由Crystec GmbH公司提供。
- 空气解理衬底（Air-cleaved crystal）：作为对照组。
2. 表面表征与退火实验
- 退火条件：在超高真空（UHV，×10⁻¹⁰ mbar）中，以200–800°C分步退火30分钟，监测表面碳污染和电子结构变化。
- 关键实验技术：
- X射线光电子能谱（XPS）：
- 配置：单色化Al Kα光源（1486.74 eV），能量分辨率≤400 meV。
- 测量模式：垂直发射（信息深度≈5 nm）和80°掠射（≈2–3 nm，增强表面敏感性）。
- 数据分析：采用Voigt线形拟合核心能级峰（如C1s、O1s、Ga3d），结合灵敏度因子计算原子浓度。
- 低能电子衍射（LEED）：验证表面晶体结构（2×1衍射图案）。
- 原子力显微镜（AFM）：量化表面粗糙度（RMS：抛光衬底0.34 nm，解理衬底0.15 nm）。
3. 数据分析流程
- 碳污染演化：通过C1s峰位移（285.7 eV→284.7 eV）和O1s峰中C–O组分（532.8 eV）的强度变化，量化碳去除效率。
- 能带弯曲（Band Bending）：通过价带光电子能谱（VB-XPS）拟合价带顶（VBM）与费米能级（EF）的偏移量，计算表面耗尽层厚度。
四、主要研究结果
1. 表面碳污染的去除
- 退火效应：800°C退火后，表面碳污染减少70%，但完全清除需更高温度或氧气环境。C1s峰从C–H键（285.7 eV）主导转变为C–C键（284.7 eV）主导，表明氢原子优先脱附。
- 污染来源：XPS证实碳主要来自表面吸附（adventitious carbon），而非晶体生长过程（体相碳浓度仅50–130 wt ppm）。
2. 表面电子结构变化
- 能带弯曲增强：退火后，价带顶（VBM）向低结合能方向移动，表面向上能带弯曲（upward band bending）从0.28 eV（未退火）增至0.48 eV（800°C退火），表明电子耗尽层扩展。
- 抛光衬底的特殊性：其VB-XPS谱在EF附近出现衰减尾（decaying tail），归因于抛光引入的表面缺陷态（defect states），退火后部分修复。
3. 表面形貌与晶体结构
- LEED显示（2×1）衍射斑点，证实退火后表面恢复晶体周期性。AFM显示退火未显著增加粗糙度，满足外延生长要求。
五、研究结论与价值
科学意义：
- 揭示了β-Ga₂O₃（100）表面碳污染的化学形态（C–H/C–C）及退火去除机制。
- 阐明了表面能带弯曲与绝缘行为的关联，为界面工程提供理论依据。
应用价值：
- 提出800°C以上UHV退火是获得清洁表面的必要条件，但需结合氧气处理以完全消除碳污染。
- 指出抛光衬底的表面缺陷可能影响外延层质量，需通过化学蚀刻或高温氧化修复。
六、研究亮点
- 创新方法：首次系统对比抛光衬底与解理衬底的表面性质，填补了外延衬底表面研究的空白。
- 关键发现：
- 碳污染通过C–H键断裂优先脱附，而非直接氧化。
- 表面缺陷态是导致能带弯曲加剧的重要因素。
七、其他补充
研究团队强调，后续工作需结合氧气退火或原位表面钝化（passivation）以进一步优化外延界面质量。该成果为β-Ga₂O₃基功率器件的工业化制备提供了关键技术支撑。