热退火法制备宽范围可调带隙β-(AlGa)₂O₃薄膜的研究报告

研究团队与发表信息

本研究由Che-Hao Liao、Kuang-Hui Li、Carlos G. Torres-Castanedo、Guozheng Zhang和Xiaohang Li共同完成，研究团队来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）先进半导体实验室。研究成果于2021年1月19日发表在Applied Physics Letters期刊上，论文标题为《Wide range tunable bandgap and composition β-phase (AlGa)₂O₃ thin film by thermal annealing》，属于超宽带隙半导体（ultrawide bandgap semiconductors）领域的专题研究。

学术背景与研究目标

β-Ga₂O₃（氧化镓）是一种具有超宽带隙（约4.9 eV）的III族氧化物半导体，因其优异的稳定性、高击穿电场和可用于深紫外光电探测器（DUV photodetectors）、透明电子器件和功率电子器件而备受关注。然而，为了进一步拓展其应用范围，研究人员希望通过合金化（alloying）调控其带隙和组成，其中β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃合金因其带隙可调范围（4.9 eV至8.8 eV）成为研究热点。

传统的β-(AlGa)₂O₃薄膜制备方法（如射频溅射、脉冲激光沉积PLD、金属有机化学气相沉积MOCVD等）需要高纯度源材料或复杂的生长环境，成本较高。而本研究的创新点在于采用热退火（thermal annealing）方法，通过Al从蓝宝石衬底（sapphire）扩散进入β-Ga₂O₃薄膜，形成均匀的β-(AlGa)₂O₃合金，从而实现带隙和组成的宽范围调控。

研究流程与方法

1. 样品制备

• 初始薄膜沉积：采用脉冲激光沉积（PLD）在c面蓝宝石衬底上生长50 nm厚的β-Ga₂O₃薄膜，沉积条件包括800°C加热温度、4.5 mTorr腔体压力、248 nm KrF准分子激光（400 mJ，5 Hz重复频率）。
  
• 热退火处理：将样品在1000–1500°C（步长100°C）的空气中退火3小时，升温速率4–5°C/min，冷却速率5°C/min。
  

2. 表征技术

研究采用多种表征手段分析退火后的薄膜性质：
- X射线衍射（XRD）：分析晶体结构和Al含量变化，通过Bragg定律和晶格参数计算Al组分（x）。
- 二次离子质谱（SIMS）：深度剖析Al、Ga、O元素的分布，确认扩散过程。
- 紫外-可见光谱（UV-Vis）：测量光学带隙，通过Tauc图计算带隙值。
- 透射电子显微镜（TEM）：观察薄膜/衬底界面，分析过渡层（transition layer）的晶体结构。

3. 数据分析

• Al含量计算：基于XRD峰位偏移和晶格参数变化，利用Kranert等人提出的公式估算Al组分。
  
• 带隙与组分关系：采用Eg(x) = (1–x)Eg(Ga₂O₃) + xEg(Al₂O₃) – bx(1–x)模型（弯曲参数b=0.93 eV）拟合实验数据。
  

主要研究结果

1. Al扩散与薄膜均匀性

• SIMS结果显示，退火温度≥1200°C时，Al在薄膜中分布高度均匀，且薄膜厚度随温度升高显著增加（1000°C退火后增至110 nm，1400°C退火后达250 nm），表明Ga和Al的互扩散（interdiffusion）过程增强。
  
• TEM证实界面存在3.6–4.5 nm的过渡层，其晶体结构为α相（蓝宝石）与β相（AlGa₂O₃）的混合相。
  

2. 带隙与组分调控

• UV-Vis测量显示，退火温度从1000°C升至1400°C时，光学带隙从4.88 eV（纯Ga₂O₃）增至6.38 eV（x=0.72）。
  
• XRD分析表明，1500°C退火后Al含量可达x=0.81，为目前报道的最高值之一。
  

3. 晶体质量提升

• 退火温度升高改善了薄膜结晶质量，（-201）晶面的XRD摇摆曲线半高宽（FWHM）从2.51°（未退火）降至0.15°（1500°C退火）。
  

研究结论与价值

本研究通过热退火法实现了β-(AlGa)₂O₃薄膜的带隙（4.88–6.38 eV）和组分（x=0–0.81）宽范围调控，且无需传统“直接生长”技术的高成本条件。其科学价值和应用价值包括：
1. 低成本制备：利用普通β-Ga₂O₃/蓝宝石模板，通过退火温度调控Al扩散速率，简化了工艺流程。
2. 高质量合金：高温退火（≥1200°C）可获得均匀组分和高结晶质量的薄膜，优于部分直接生长技术。
3. 界面机制揭示：通过TEM和SIMS明确了Al/Ga互扩散过程，为后续界面工程研究提供参考。

研究亮点

1. 创新方法：首次系统研究热退火法制备β-(AlGa)₂O₃的带隙与组分调控能力，拓宽了该合金的应用潜力。
   
2. 性能突破：实现了目前最宽的带隙调控范围（6.38 eV）和最高Al含量（x=0.81）。
   
3. 跨技术兼容性：该方法可适用于其他沉积技术（如MOCVD、MBE）生长的β-Ga₂O₃薄膜，具有普适性。
   

其他发现

• 碳杂质信号低于检测限，表明退火过程未引入显著污染。
  
• 表面粗糙度在1000–1400°C退火后保持 nm，但1500°C时因高温分解导致不均匀性增加。
  

本研究为超宽带隙半导体器件的设计提供了新思路，尤其在深紫外光电器件和高压功率电子领域具有重要应用前景。