该文献报告了有关氮掺杂p型β-Ga2O3薄膜的研究，展示了如何通过一种新型的能量驱动多步骤结构相变机制来制备高质量的p型氮掺杂β-Ga2O3薄膜，并探索了该薄膜在场效应晶体管（FET）等器件中的应用潜力。本文发表于2021年1月21日，发表在《Materials Today Physics》期刊上，作者包括吴泽渊、蒋志雄、马晨晨等人，来自复旦大学、厦门大学和上海大学等研究机构。
β-Ga2O3是一种典型的超宽禁带半导体材料，因其具有极高的击穿电压、良好的热稳定性以及宽的光谱响应范围，广泛应用于高功率电子和紫外光探测器等领域。然而，β-Ga2O3的p型掺杂仍面临许多挑战，主要包括受限的受主电离能、强烈的孔陷效应、低孔迁移率和自我补偿效应。尽管已有一些研究尝试通过不同的掺杂方法来改善β-Ga2O3的p型电导性，然而能够同时实现高效、稳定的p型电导性仍然是一个未解决的问题。因此，本研究的目标是通过开发一种新型的薄膜生长技术，解决这些问题，并成功制备高质量的p型氮掺杂β-Ga2O3薄膜。
本研究的研究方法分为以下几个主要步骤：
为了提高掺氮的效率并确保薄膜的质量，研究者采用了热氧化法，使用改进的化学气相沉积（CVD）系统在1000℃至1100℃的温度范围内对GaN/sapphire基底进行热氧化。GaN表面首先通过丙酮、乙醇和去离子水清洗10分钟，然后在气相氧化过程中控制氧气压力、氩气流量和抽气速率，以确保薄膜的结晶质量和掺氮效果。通过调节氧化速率和氧气压力，成功生长出高质量的n型掺氮β-Ga2O3薄膜。
为了对薄膜的质量进行全面评估，研究者使用了多种表征手段，包括原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、二次离子质谱（SIMS）等。通过这些技术对β-Ga2O3薄膜的表面形貌、结晶结构和元素分布进行了详细分析。例如，通过XPS谱图分析，研究者确认了薄膜中掺入氮元素的情况，并通过能带结构计算进一步验证了掺氮的效果。
本研究通过温度和磁场依赖的霍尔效应测量来分析掺氮β-Ga2O3薄膜的电学性能。霍尔系数为正，表明薄膜具有p型导电性。随着温度的升高，孔浓度和迁移率增加，表明氮掺杂的激活效率较高，从而提高了薄膜的p型电导性。
研究者进一步探讨了在氮掺杂过程中，β-Ga2O3薄膜的多步骤结构相变机制。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察，研究者发现从六方型的GaN（p63mc）结构过渡到菱面体型的GaNxO3(1-x)/2，最终形成单相的单斜型n掺氮β-Ga2O3（C2/m）结构的过程，改善了薄膜的结晶质量并促进了掺氮的效率。
通过一系列实验，研究者得到了以下关键结果：
本研究成功开发了一种新的薄膜生长技术，通过多步骤结构相变机制，克服了传统方法中存在的掺氮效率低和薄膜质量差的问题。研究结果表明，掺氮β-Ga2O3薄膜具有优异的p型导电性和稳定性，为未来高性能电子和光电子器件的应用提供了可能的材料基础。此外，本研究提出的多步骤相变机制和氮掺杂过程，也为其他宽禁带氧化物半导体材料的开发提供了重要的参考。
本研究为β-Ga2O3材料的掺氮问题提供了新的解决思路，并通过精确控制薄膜生长过程中的氧气环境，进一步优化了材料的电学性能。研究人员还强调了该材料在高功率电子、深紫外光探测和其他光电子设备中的潜在应用价值，尤其是它在环境友好型、低功耗电子器件中的前景。