德国IKZ周大顺研究团队---基于MOVPE生长技术的β-Ga₂O₃薄膜原位反射率分 ...

近期，由德国莱布尼茨晶体生长研究所的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 In-situ reflectance analysis of Si-doped β-Ga2O3 films grown by MOVPE: The influence of doping concentration and substrate conductivity（基于 MOVPE 生长技术的 β-Ga2O3 薄膜原位反射率分析）的文章。

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项目资助信息

本研究由德国联邦教育和研究部 (BMBF) (Grant No. 16ES1084K)、德国研究基金会 (DFG) (Project No. PO-2659/1-2) 及欧洲区域发展基金 (EFRE) (Grant No. 1.8/15) 资助。

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背景

β-Ga2O3 因其超宽带隙（约4.8 eV）和高击穿电场（高达8 MV/cm）而备受关注。金属有机气相外延（MOVPE）是一种常用的薄膜生长技术，具有均匀沉积和大规模生产的优势。为了优化薄膜质量和掺杂均匀性，原位监测技术在生长过程中起着关键作用。传统的薄膜表征方法通常需要在生长完成后进行，这可能导致在生长过程中无法及时发现问题，从而影响薄膜的质量和器件的性能。而原位监测技术能够在薄膜生长过程中实时获取关键参数，如薄膜厚度、生长速率、表面形貌和掺杂浓度等。通过实时反馈，研究人员可以及时调整生长条件，优化薄膜的质量和均匀性。

在 β-Ga2O3 的同质外延生长中，由于薄膜和衬底的光学性质非常相似，传统的椭偏测量技术难以分辨出有意义的信号。而高灵敏度的反射率光谱技术则能够克服这一限制，通过分析干涉模式的变化，提供关于薄膜生长动力学和掺杂效应的深入见解。因此，原位反射率测量技术在 β-Ga2O3 薄膜的生长过程中具有重要的应用价值。

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主要内容

本研究聚焦于利用原位反射率测量技术来监测 Si 掺杂 β-Ga2O3 薄膜在金属有机气相外延（MOVPE）生长过程中的动态变化，特别是掺杂浓度和衬底导电性对薄膜光学和电学性能的影响。以下是研究的主要内容：

1. 反射光谱中的干涉振荡模式

在薄膜生长过程中，研究人员通过原位反射率测量系统（Laytec EpiNet）实时监测了不同波长（405 nm、633 nm、950 nm）下的反射光谱。研究发现，反射光谱中出现了明显的干涉振荡模式，这些振荡模式与薄膜的生长速率和掺杂浓度密切相关。

●干涉振荡的物理机制：这些振荡模式是由薄膜与衬底之间的折射率差异引起的，通常被称为 Fabry-Pérot 干涉。当光在薄膜和衬底之间多次反射时，会产生干涉效应，形成振荡模式。

●振荡周期与生长速率：干涉振荡的周期与薄膜的生长速率直接相关。通过分析振荡周期，研究人员可以实时估计薄膜的生长速率。

●振荡幅度与掺杂浓度：干涉振荡的幅度则与薄膜的掺杂浓度密切相关。随着掺杂浓度的增加，薄膜的折射率发生变化，导致干涉振荡的幅度增大。

图1: 不同掺杂浓度的 β-Ga2O3 薄膜在 950 nm 波长下的反射率信号

2. 掺杂浓度对折射率的影响

研究进一步探讨了 Si 掺杂浓度对 β-Ga2O3 薄膜折射率的影响。通过 Drude 模型，研究人员能够定量估计掺杂引起的折射率变化。

● Drude模型的应用：Drude 模型描述了自由载流子（如电子）对材料光学性质的影响。在高掺杂浓度下，自由载流子的浓度增加，导致材料的介电常数和折射率发生变化。

● 折射率的变化：研究发现，随着 Si 掺杂浓度的增加，薄膜的折射率显著降低。这种变化在长波长（如950 nm）下尤为明显，因为自由载流子在长波长下的吸收效应更强。

3. 衬底导电性的影响

研究还考察了衬底导电性对薄膜生长和光学性质的影响。实验中使用了两种不同类型的衬底：半绝缘衬底（Mg 掺杂）和导电衬底（Si 掺杂）。

● 半绝缘衬底 vs 导电衬底：在半绝缘衬底上生长的薄膜与衬底之间的折射率差异较小，导致干涉振荡不明显。而在导电衬底上生长的薄膜，由于衬底与薄膜之间的折射率差异较大，干涉振荡更加显著。

● 非故意掺杂薄膜的生长：研究还对比了在"非故意掺杂（UID）”薄膜在半绝缘和导电衬底上的生长情况。结果显示，只有在导电衬底上生长的薄膜才表现出明显的干涉振荡，进一步证明了衬底导电性对薄膜光学性质的影响。

4. Burstein-Moss 效应与等离子体效应

研究还深入分析了 Burstein-Moss 效应和等离子体效应对折射率变化的贡献。

● Burstein-Moss 效应：随着掺杂浓度的增加，导带中的电子填充导致吸收边向高能方向移动（即 Burstein-Moss 位移），进而引起折射率的微小变化。然而，在 β-Ga2O3 中，由于电子的有效质量较大，Burstein-Moss 效应对折射率的影响相对较小。

● 等离子体效应：自由载流子的集体振荡（即等离子体效应）在高掺杂浓度下对折射率的影响更为显著。研究通过 Drude 模型计算了等离子体效应对折射率的贡献，发现其在长波长下对折射率变化起主导作用。

5. 理论模拟与实验验证

为了验证实验结果，研究人员使用传输矩阵法（TMM）对反射光谱进行了理论模拟。通过将实验数据与模拟结果进行对比，研究人员能够准确估计薄膜的折射率变化和厚度，进一步验证了原位反射率测量技术的可靠性。

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结论

本研究通过原位反射率测量技术，系统研究了 Si 掺杂 β-Ga2O3 薄膜在 MOVPE 生长过程中的动态变化。研究发现，反射光谱中的干涉振荡模式与薄膜的生长速率和掺杂浓度密切相关，且衬底导电性对薄膜的光学性质有显著影响。通过 Drude 模型和传输矩阵法，研究人员能够定量估计掺杂引起的折射率变化，并验证了原位反射率测量技术在薄膜生长监测中的有效性。这一研究为 β-Ga2O3 薄膜的生长优化和器件应用提供了重要的理论和技术支持。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0251523

文章由德国莱布尼茨晶体生长研究所周大顺团队供稿。

来源：亚洲氧化镓联盟

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