通过缺陷工程在β-Ga2O3中实现战略性氧空位控制，采用快速热退火技术应用于先进电子器件

《Optical Materials》：Strategic Oxygen Vacancy Control via Defect Engineering in β-Ga 2O 3 Using Rapid Thermal Annealing for Advanced Electronics

β-Ga?O?薄膜通过溶胶-凝胶法合成并采用快速热退火（RTA）优化结晶结构及减少氧空位，发现1100°C时结晶度最高（(-201)晶面主导）、氧空位降至10.44%且透光率＞85%，但1200°C导致铝扩散和表面粗糙。XRD、XPS、PL及AFM分析揭示了温度对缺陷工程和性能的影响。

　　β-Ga?O?作为一种具有广阔前景的宽禁带半导体材料，近年来在电子与光电子领域引起了广泛关注。其独特的物理和化学特性，使得它在高功率、高温以及高频应用中展现出卓越的性能。本文围绕β-Ga?O?薄膜的制备及其在不同退火温度下的性能优化展开研究，重点探讨了通过快速热退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）技术来减少氧空位、改善晶体结构与表面形貌的可行性。研究结果不仅为β-Ga?O?薄膜的高质量制备提供了重要依据，也为其在实际应用中的性能提升奠定了基础。

β-Ga?O?是一种具有多种晶相的氧化物半导体，其中β相因其具有单斜晶体结构和高达4.8 eV的禁带宽度而备受青睐。这种材料的高击穿电场强度（约8 MV/cm）使其成为高功率电子器件的理想候选者，相较于传统硅材料（约0.3 MV/cm）和碳化硅（约3 MV/cm），β-Ga?O?能够显著降低器件的体积和能耗。此外，其良好的热稳定性和化学稳定性，使得它在恶劣环境中依然能够保持优异的性能。然而，β-Ga?O?在实际应用中仍面临一些挑战，例如其热导率较低（10–30 W/m·K），相较于碳化硅（120 W/m·K）存在差距，这限制了其在高功率器件中的进一步发展。此外，实现p型掺杂仍然是一个技术难题，这影响了其在互补型电子器件中的应用潜力。

氧空位作为β-Ga?O?薄膜中常见的本征缺陷，对材料的电学与光学性能具有重要影响。氧空位会在导带下方引入不同的缺陷能级，分别为1.6 eV、2.0 eV和1.7 eV，从而影响载流子的迁移率和材料的导电性。为了减少这些缺陷，研究者们尝试了多种工艺手段，包括在富氧气氛下进行退火处理。然而，传统的退火方式往往难以在不引入其他杂质的情况下有效减少氧空位。因此，采用快速热退火技术成为一种可行的解决方案。RTA具有快速加热和冷却的特点，能够在短时间内达到高温并迅速降温，从而减少材料在高温下的热应力和可能的杂质扩散。

在本研究中，β-Ga?O?薄膜是通过溶胶-凝胶法（sol-gel method）制备的。该方法因其无需真空条件、工艺简单、成本低廉而被广泛采用。然而，溶胶-凝胶法制备的β-Ga?O?薄膜在预烧结阶段通常呈现非晶态或低结晶度，因此需要通过RTA来实现薄膜的完全结晶化，并进一步优化其晶体结构和缺陷状态。为了确保薄膜的高质量，研究者们首先对衬底进行了严格的清洗处理，使用乙醇、丙酮和去离子水进行超声波清洗，以去除表面的有机残留和杂质。随后，采用硝酸镓（Ga(NO?)?·xH?O）作为前驱体，以2-甲氧基乙醇为溶剂，加入单乙醇胺作为稳定剂，制备出均匀的溶胶溶液。通过旋涂工艺将溶胶均匀地涂覆在衬底上，再经过预烧结处理形成薄膜结构。

为了系统地评估RTA对β-Ga?O?薄膜性能的影响，研究者们选择了500°C至1200°C的退火温度范围，并对不同温度下的薄膜进行了详细的表征分析。X射线衍射（XRD）分析显示，当退火温度达到1100°C时，薄膜呈现出明显的单斜β相结构，并且在(-201)晶面表现出强烈的择优取向。这一结果表明，1100°C是实现β-Ga?O?薄膜良好结晶性的关键温度。然而，当退火温度进一步升高至1200°C时，出现了铝元素从衬底扩散至薄膜中的现象。X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了Al相关的峰，这表明在高温下，衬底中的铝元素可能与β-Ga?O?晶格发生相互扩散，从而影响薄膜的纯度和性能。因此，退火温度的选择需要在薄膜结晶性和铝元素扩散之间取得平衡。

除了晶体结构的优化，研究者们还关注了薄膜的表面形貌和光学性能。原子力显微镜（AFM）分析显示，在较低退火温度下，薄膜表面呈现出由旋涂工艺引起的波纹状结构，而在较高退火温度下，由于热膨胀系数的差异，薄膜内部可能出现裂纹。这表明，退火温度对薄膜的表面质量具有显著影响，过高或过低的温度都可能导致不良的表面形貌。另一方面，紫外-可见光谱（UV-vis）分析表明，所有退火后的薄膜均表现出较高的透射率（超过85%），并且随着氧空位的减少，其禁带宽度有所增加。这一结果进一步验证了退火温度对薄膜光学性能的优化作用。同时，通过X射线反射（XRR）技术测量，发现所有样品的厚度均保持在约100 nm左右，而1100°C退火后的薄膜密度最高，这表明该温度下薄膜的结晶性和结构稳定性最佳。

为了进一步理解氧空位对薄膜性能的影响，研究者们采用了光致发光（PL）光谱技术。PL光谱显示，薄膜中存在多个发光峰，分别位于325 nm、365 nm和415 nm处。其中，325 nm的发光峰在高温下变得更为显著，这可能与氧空位的减少以及晶格缺陷的重新分布有关。光致发光光谱中的这些发光峰不仅反映了材料的缺陷状态，还为研究者提供了关于薄膜内部电子-空穴复合机制的重要信息。此外，通过计算Tauc图，研究者们能够更准确地评估薄膜的禁带宽度变化，并将其与缺陷密度的变化联系起来。这为后续的材料优化和性能提升提供了理论依据。

研究还发现，RTA不仅影响了薄膜的晶体结构和表面形貌，还对其化学组成产生了重要影响。XPS分析显示，在1100°C退火时，O/Ga比值达到了约1.4，接近理想的化学计量比1.5，这表明此时薄膜中的氧空位已经显著减少。然而，当退火温度超过1100°C时，铝元素的扩散现象变得更加明显，这可能会影响薄膜的电学性能，特别是在需要高纯度的电子器件中。因此，在实际应用中，退火温度的选择需要综合考虑多种因素，包括薄膜的结晶性、密度、透射率以及可能的杂质扩散问题。

从整体来看，本研究通过系统的实验设计和多手段的表征分析，成功地展示了如何通过快速热退火技术优化β-Ga?O?薄膜的性能。研究结果表明，1100°C是实现薄膜高质量的关键温度，此时不仅晶体结构和表面形貌最佳，而且氧空位的减少也使得薄膜的光学和电学性能得到显著提升。然而，随着退火温度的进一步升高，材料中的杂质扩散问题变得不可忽视，这为未来的研究提供了新的方向和挑战。例如，如何在不引入铝元素扩散的情况下，进一步提高薄膜的结晶性和纯度，或者如何通过其他工艺手段如表面钝化、掺杂优化等，进一步减少氧空位并提高薄膜的性能。

此外，本研究还强调了溶胶-凝胶法在制备β-Ga?O?薄膜方面的优势。该方法不仅操作简便，而且能够实现大规模生产，这对于推动β-Ga?O?在实际应用中的发展具有重要意义。然而，溶胶-凝胶法在退火前的薄膜质量较低，因此需要通过RTA等后处理工艺来进一步优化其性能。研究结果表明，合理的退火温度和时间能够显著改善薄膜的结晶性、密度和表面质量，从而提高其在电子和光电子器件中的应用潜力。

综上所述，β-Ga?O?作为一种新型的宽禁带半导体材料，其在高功率、高温和高频应用中的潜力得到了充分验证。然而，氧空位的存在仍然是制约其性能提升的重要因素。通过本研究的实验设计和分析，研究人员发现RTA是一种有效的手段，能够在不引入其他杂质的情况下减少氧空位，并优化薄膜的晶体结构和表面形貌。这一成果不仅为β-Ga?O?薄膜的高质量制备提供了新的思路，也为未来在电子与光电子领域中的应用奠定了坚实的基础。随着相关技术的不断进步，β-Ga?O?有望成为下一代高性能电子器件的重要材料之一。