脉冲激光沉积镓铟氧化物薄膜能带工程相关问题研究

Ga2O3 film has potential applications in furture power and optoelectronic devices due to its direct and wide bandgap （Eg~4.9eV）and physical and chemical stabilities. Due to the limitation of solubity and poor crystal quality of Ga2O3 based alloys, the energy band engineering of it is still in its infancy. The aim of this project is to investigate the energy band engineering of gallium-indium-oxide films grown by pulsed laser deposition (PLD). At first, investigation on improving the crystal quality of Ga2O3 film grown on sapphire substrate will be carried out based on the relationship between growth modes and parameters. The mechanism as well as methods suppressing the phase separation of gallium-indium-oxide films will be studied. Various methods such as varing the oxgen pressure, using buffer layer and annelaing will be carried out. Based on summarzing the influence of oxgen pressure, the thickness and temperature of buffer layer and the annealing effects on chemical composition, sturcture and surface morphology of the films, the solution of surpressing phase separation will be obtained.The band structure and bandgap of gallium-indium-oxide films will be studied both experimently through X-ray photo electron spectroscopy (XPS) and theoretically using first principle calculation. The band offset of Ga2O3/(Ga1-xInx)2O3 herterjunction will be experimentally determined by XPS as well. This study will lay a foundation for the design of electrical/optical devices based on (Ga1-xInx)2O3 films.

Ga2O3薄膜由于具有较大的直接带隙（~4.9eV）和非常稳定的物理与化学性质，成为新一代功率器件材料和光电材料的重要候选者。然而由于固溶度、结晶质量等限制，导致利用化合物来进行能带宽度裁剪的研究仍处于起步阶段。本项目拟开展脉冲激光沉积法生长镓铟氧系列薄膜调节能带宽度的相关研究。研究Ga2O3薄膜生长模式与生长参数的关系，优化关键参数提高薄膜质量。针对镓铟氧薄膜由于固溶度限制等引起的相分离问题，研究气体压力、缓冲层、退火对材料晶体质量和界面的影响，总结气体压力、缓冲层厚度与温度、退火条件对薄膜化学组分、表面形貌和晶体结构的影响规律，最终获得相分离问题的解决方案。研究镓铟氧薄膜组分对禁带宽度、价带组成的影响，采用第一性原理计算能带结构，建立准确描述镓铟氧能带随组分变化的物理模型，总结出异质结构Ga2O3/(Ga1-xInx)2O3薄膜的能带偏置规律，为实现由薄膜生长向电子器件的应用提供基础。

Ga2O3薄膜由于具有较大的直接带隙（~4.9eV）和非常稳定的物理与化学性质，逐渐引起了世界各国的重视，成为新一代功率器件材料和光电材料的重要候选者。另外一个方面，对于半导体材料来说，通过各种手段诸如掺杂、合金化、量子阱、异质结构和纳米工程来调节其电学、磁学以及光学性质非常重要。.本项目主要开展了脉冲激光沉积法生长镓铟氧系列薄膜调节能带宽度的相关研究。.（1）利用PLD沉积Ga2O3薄膜，分析了Ga2O3薄膜的生长参数（沉积时间、生长气氛、靶材-基板距离）对薄膜结构和性质的影响。发现在高温生长时，薄膜与蓝宝石衬底界面处形成了镓铝氧合金薄膜；羽状物平均传输距离是控制薄膜结晶质量的关键点之一；氧化镓从非晶到晶体的变化过程中存在禁带宽度和CL发光的突变现象，推测与非晶中氧缺陷的减少有关系。.（2）研究了生长时间、激光能量、生长温度、生长压力对(Ga0.7In0.3)2O3薄膜光电性能的影响影响；发现相分离是从生长的初始阶段就开始进行；温度越高，激光能量越大，相分离越显著，说明高能量加剧了相分离；高压对相分离有一定抑制作用。.（3）研究了退火工艺对(Ga0.7In0.3)2O3薄膜晶体结构和性质的影响。氧气流量、退火时间、退火薄膜厚度均对薄膜的结晶有明显影响，说明氧缺陷的降低是获得质量好的薄膜关键机制之一。.（4）研究了Ga2O3/(Ga1-xInx)2O3结构的生长。证明了Ga2O3/(Ga1-xInx)2O3结构可以通过退火方法实现。发现缓冲层温度高的薄膜结晶质量好；缓冲层厚度会影响结晶相和薄膜表面形貌。.（5）利用第一性原理计算发现材料的禁带宽度随着铟含量的增加而线性减少，然而单斜相能带变化的斜率明显高于立方相；β-(Ga1-xInx)2O3为间接带隙半导体，而c-(Ga1-xInx)2O3的为直接带隙半导体； (Ga1-xInx)2O3合金价带主要由O-2p态贡献，导带主要由Ga-4s、O-2p和In-5s态贡献，随着In浓度的增加，In的贡献逐渐增大。.（6）价带结构测试表明随着铟含量增加，价带边向低结合能端移动；(Ga1-xInx)2O3相对于Ga2O3价带位置更低。.由于能带工程是半导体材料与器件的核心工程，因此本项目的开展对促进Ga2O3研究的进一步开展以及走向应用具有重要的科学与实用价值。