Ga2O3薄膜的外延生长、高迁移率调控及相关机理研究

Ga2O3 belongs to transparent conducting oxide materials. It has extensive application prospect in ultraviolet-photoelectronic and high frequency, high power electronic devices, etc. However, the impurities, grain boundary, and vacancies in thin films will lead to the reduction of the carrier mobility, thereby restricting its practical applications. Ga2O3 have five types of polymorphs, while β-Ga2O3 is the thermally and chemically most stable phase. It has been found that an anisotropic electronic conduction exists in β-Ga2O3. In this proposed project, we focus on the interfacial microstructure and the carrier mobility in the formed films. The main research content including three parts: 1, Laser molecular beam epitaxy will be employed to fabricate high quality epitaxial β-Ga2O3 thin films. The influence of the deposition parameter on the films growth will be studied. 2, various lattice mismatch system will be chosen to explore the manipulation regulation of interfacial microstructure on orientation, crystal deformation and carrier mobility. 3, we will combine the theory with experiments and establish Ga2O3 supercells through first principles calculation, for revealing the physical properties of β-Ga2O3. It is expected that the successful implementation of the project will shed light on the mechanism and relationship between the mobility and the interfacial microstructure. It will also provide a reference for the development of high mobility Ga2O3 based devices.

Ga2O3是一种透明导电氧化物材料，在深紫外光电子，高频、高功率器件等领域有着广阔的应用前景，但非晶或多晶薄膜中存在的杂质、晶界和空位等结构缺陷导致载流子迁移率过低，从而制约了它的实际应用。已知的Ga2O3共有5种同分异构体，其中β-Ga2O3的结构最为稳定，且载流子的迁移率具有各向异性。本项目拟以β-Ga2O3薄膜界面微结构和迁移率调控作为研究目标，主要研究内容包括以下三个部分：1、激光分子束外延法制备高质量β-Ga2O3外延薄膜，研究工艺参数对薄膜生长的影响规律；2、选择不同晶格失配度的体系，研究界面微结构对外延取向，晶格应变和迁移率的调控规律；3、利用第一性原理，研究β-Ga2O3的物理性能，并结合实验结果，系统分析界面微结构影响迁移率大小的物理机制，并为研发高迁移率的Ga2O3器件应用提供理论与技术基础。

Ga2O3为直接带隙的宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.2-5.3 eV，击穿场强~8 MV/cm，是一种非常有前景的日盲深紫外及高功率半导体材料。本项目针对目前Ga2O3薄膜外延生长困难，且载流子迁移率偏低这一当前的热点研究方向，一方面通过优化生长条件，掌握Ga2O3薄膜制备工艺对薄膜的原子排布、晶格应变、缺陷形成的影响规律。另一方面从实验和理论上探索界面微结构调控薄膜载流子迁移率等物理特性的机制模型，为高迁移率的器件的研发提供参考。本项目按照研究计划，围绕Ga2O3薄膜的可控生长、迁移率调控及相关机理研究，积极开展研究工作。利用激光分子束外延技术摸索了β-Ga2O3薄膜生长的条件，研究了不同沉积温度、氧压、激光能量、脉冲频率、衬底晶格、晶面取向、元素掺杂等对β-Ga2O3外延薄膜生长的影响，得出薄膜的最优生长条件以及生长规律。深入研究Ga2O3薄膜界面特性，建立了微观结构和薄膜电、磁、光等物性的关联模型。利用掺杂元素Mn3+/Mn2+和Sn4+/Sn2+价态转变，有效地抑制了Ga2O3薄膜内部的氧缺陷滋生载流子，降低了薄膜中的散射中心，实现了在2个数量级范围内对薄膜电导率和载流子迁移率的调控。利用过渡金属元素Fe，Mn，Cr掺杂，实现一种非常有前景的室温磁半导体薄膜。研究了稀土掺杂Ga2O3薄膜的光致发光特性，利用晶格应力对晶体场、自旋轨道耦合的影响，提出了原位和非原位应力调控从可见到近红外光致发光特性。开展了Ga2O3/半导体异质结器件的研究，利用异质结内部的雪崩效应，在Ga2O3/Si异质结日盲紫外探测器中，将Ga2O3基异质结日盲紫外探测器响应度性能提升到370 A/W，器件整体性能已经接近单晶Ga2O3器件性能(1000 A/W)。并首次发现了Ga2O3的单极型阻变行为及反常双极型阻变行为，加深了基于Ga2O3阻变存储器的理解。通过本项目的研究，共发表SCI收录论文28篇（含JCR分区1区论文5篇，2区论文18篇，ESI高引论文1篇），会议论文1篇，申请发明专利1项，培养研究生9名，其中博士生3名，硕士生6名。