自干涉散斑光流融合技术：一种用于线结构光系统中多轴位移测量的双模态方法

《Optics & Laser Technology》：Self-Interference speckle-optical flow fusion: a dual-modality approach for multi-axis displacement sensing in line-structured light systems

β-Ga?O?薄膜通过溶胶-凝胶法合成，采用快速热退火（RTA）优化退火条件，分析500-1200°C温度对晶体结构、氧空位浓度及光学性能的影响，发现1100°C时薄膜晶型最优异（单斜β相）、氧空位最少（10.44%），且透光率>85%；但1200°C导致铝扩散，XPS检测到Al-O峰，表面粗糙度增加。XRD、XPS、PL及XRR表征显示温度升高先促进结晶和缺陷减少，后引发铝扩散和热应力裂纹，厚度稳定在100nm左右。

　　本研究聚焦于通过快速热退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）技术优化β-氧化镓（β-Ga?O?）薄膜的退火条件，以减少氧空位，从而提升其在电子和光电子领域的应用潜力。β-Ga?O?作为一种具有宽禁带的半导体材料，因其在高温、高功率和高频应用中的优异性能而受到广泛关注。其禁带宽度约为4.8–5.0电子伏特（eV），远高于传统半导体如硅（1.12 eV），使得它在光电子器件中表现出独特的特性，例如对近紫外和可见光的高透光性以及对深紫外光的强吸收能力。这种材料在紫外光电探测器、LED和显示技术等应用中具有重要价值。此外，β-Ga?O?的高击穿电场（约8 MV/cm）也使其成为高功率电子器件的理想候选材料。

β-Ga?O?的晶体结构为单斜晶系，其在不同退火条件下表现出不同的物性特征。研究采用溶胶-凝胶法（sol-gel method）制备β-Ga?O?薄膜，并通过一系列分析手段，包括X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV-vis）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光光谱（PL）以及X射线反射（XRR）等，全面评估了退火温度对薄膜结构、化学组成、表面形貌和光学性能的影响。实验结果表明，随着退火温度的升高，薄膜的结晶度显著提高，尤其在1100°C时，形成了明显的单斜β相结构，并且具有沿(-201)晶面的择优取向。这种结构的形成不仅有助于提升材料的电子性能，还对光电子器件的稳定性具有重要意义。

在化学组成方面，XPS分析显示，当退火温度达到1100°C时，O/Ga的原子比接近理想的1.5，表明氧空位的含量大幅降低至10.44%。氧空位的存在会影响材料的导电性和光学特性，因此减少氧空位对于提升β-Ga?O?的性能至关重要。然而，当退火温度进一步升至1200°C时，出现了铝（Al）元素从基底扩散至β-Ga?O?晶格的现象，这可能是由于高温导致的晶格结构变化和原子迁移，进而影响材料的纯度和性能。因此，在优化退火条件时，必须在提升结晶度和减少氧空位之间找到一个平衡点，以避免铝等杂质的引入。

在光学性能方面，UV-vis光谱分析表明，所有退火后的薄膜均表现出高于85%的透光率，这表明其在可见光范围内的透明性较好。同时，随着氧空位的减少，薄膜的禁带宽度逐渐增大，这与材料的光学特性密切相关。禁带宽度的增加意味着材料对更高能量的光子具有更强的吸收能力，从而在光电子器件中表现出更高的响应效率。此外，PL光谱分析揭示了在325 nm、365 nm和415 nm处的显著发光峰，其中325 nm峰在较高退火温度下变得更为突出，这表明退火过程对缺陷相关的发光状态产生了重要影响。通过调控退火温度，可以有效控制这些发光峰的强度和位置，进而优化材料的光学性能。

在表面形貌方面，原子力显微镜（AFM）分析显示，退火温度较低时，薄膜表面呈现出由旋涂工艺引起的波纹状结构，而随着退火温度的升高，热膨胀系数的不匹配导致了表面裂纹的出现。这一现象表明，退火温度的升高不仅促进了晶格结构的形成，还可能引发热应力问题，从而影响薄膜的机械稳定性和长期可靠性。因此，在实际应用中，需要通过精确控制退火温度和时间，来减少表面裂纹的产生，同时确保薄膜的结晶度和密度达到最佳状态。

XRR分析进一步确认了薄膜的厚度一致性，所有样品的厚度均约为100 nm，其中在1100°C退火时，薄膜的密度达到了最高水平。这表明，适当的退火温度不仅有助于提高薄膜的结晶度，还能增强其结构稳定性，从而提升其在实际器件中的应用性能。密度的增加通常与晶格排列的改善和缺陷的减少有关，因此，通过优化退火条件，可以实现β-Ga?O?薄膜的高质量制备。

在研究过程中，团队还关注了溶胶-凝胶法的制备工艺。该方法具有操作简便、成本低廉、无需真空环境等优点，适用于大规模生产和高质量薄膜的制备。然而，由于溶胶-凝胶法制备的β-Ga?O?薄膜在预烧结后仍保持非晶态，因此需要通过RTA技术进行后续处理，以实现其晶化和缺陷工程。通过系统地研究不同退火温度和时间对薄膜性能的影响，团队成功制备出了具有高光学透光率、优异结晶度和低氧空位含量的β-Ga?O?薄膜，为后续的电子和光电子器件开发奠定了坚实基础。

此外，本研究还强调了RTA在β-Ga?O?薄膜处理中的关键作用。作为一种高效的热处理技术，RTA能够快速激活掺杂剂，优化热传导特性，并减少表面杂质和缺陷。然而，高温退火也可能带来一些挑战，例如表面粗糙度的增加和掺杂剂的重新分布。因此，在实际应用中，需要对退火温度、时间和气氛进行精确控制，以确保薄膜的性能达到最佳状态。这种控制对于提升β-Ga?O?在高功率和高频应用中的表现尤为重要，因为其性能直接决定了器件的效率和稳定性。

β-Ga?O?作为一种新兴的宽禁带半导体材料，其研究和应用正逐渐成为电子和光电子领域的热点。然而，目前仍存在一些关键挑战，例如其热导率相对较低（10–30 W/m·K），相较于碳化硅（120 W/m·K）而言，这在高功率应用中可能需要额外的冷却解决方案。此外，β-Ga?O?的p型掺杂仍然是一项技术难题，限制了其在互补型电子器件中的应用。这些挑战促使研究者不断探索新的材料处理技术和缺陷工程策略，以提升β-Ga?O?的性能和应用范围。

在缺陷工程方面，氧空位是影响β-Ga?O?性能的重要因素。氧空位的引入会导致材料中出现缺陷能级，从而影响其电子迁移率和导电性。通过控制RTA的退火温度和气氛，可以有效减少氧空位的含量，进而优化材料的电子性能。例如，氧富集环境下的退火可以促进氧空位的修复，提高薄膜的结晶度和密度。同时，PL光谱分析也表明，退火温度的变化会影响缺陷相关的发光峰，这为理解材料内部的缺陷结构提供了重要线索。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了RTA温度对β-Ga?O?薄膜性能的影响机制。实验结果表明，在1100°C退火时，薄膜的结晶度、密度和光学性能均达到最佳状态，同时氧空位的含量显著降低。然而，当退火温度进一步升高至1200°C时，铝的扩散问题变得突出，这可能会影响薄膜的纯度和性能。因此，优化退火条件是提升β-Ga?O?薄膜质量的关键所在。通过进一步研究不同退火参数对薄膜性能的影响，可以为β-Ga?O?在高功率和高频应用中的发展提供更加坚实的理论和技术支持。