近年來，氧化鎵（Ga2O3）半導體受到世界各國科研和產業界的普遍關注。氧化鎵具有4.9 eV的超寬禁帶，高于第三代半導體碳化硅（SiC）的3.2 eV和氮化鎵（GaN）的3.39 eV。更寬的禁帶寬度意味著電子從價帶躍遷到導帶需要更多的能量，因此氧化鎵具有耐高壓（極強的臨界場強）、高效率（更低導通電阻）、大功率、抗輻照等特性。基于氧化鎵的功率電子器件在新能源汽車、軌道交通等領域具有潛在應用，且氧化鎵的光電探測器在導彈預警、高壓電網電暈檢測等領域展現出重要的潛力。

另一方面，氧化鎵的禁帶寬度對應的吸收限在日盲深紫外區（253 nm），在可見光至深紫外光譜范圍具有透明性，并且氧化鎵可通過Si、Sn等元素摻雜獲得高導電性。因此，氧化鎵是一種很有前景的深紫外透明導電電極的候選材料。深紫外波長范圍的光源（如深紫外LED，深紫外固態激光器等）被廣泛應用于殺菌消毒、水體凈化和生物醫療等領域。

然而，對于深紫外發射源的器件應用來說，傳統商用透明電極材料如氧化銦錫（ITO）、氟摻氧化錫（FTO）等禁帶寬度較小，難以滿足深紫外光透過率的需求。因此，氧化鎵薄膜在這方面有著先天的材料優勢。

目前大多數AlGaN深紫外光電器件是基于藍寶石（Al2O3）襯底研制的，這主要是因為藍寶石襯底的生產技術成熟、穩定性好、價格低廉且具有優秀的深紫外透明度。然而，由于Ga2O3與Al2O3之間晶格失配度較大，基于藍寶石襯底異質外延生長的Ga2O3薄膜的電導率并不理想，通常低于1 S?cm-1。近期，廈門大學張洪良和上海光機所齊紅基團隊通過優化Si摻雜Ga2O3和藍寶石襯底斜切角度，大幅提高了Ga2O3薄膜的電導率，最高可達37 S?cm-1。

研究團隊采用脈沖激光沉積（PLD）技術在斜切藍寶石襯底上外延生長了Si摻雜Ga2O3薄膜，發現適當增加襯底的斜切角度，能提供更高的臺階流密度，加速外延過程中成核層生長，有效抑制薄膜面內晶疇結構，降低了面內旋轉對稱性（如下圖2）。在6°斜切襯底上生長的Si摻雜Ga2O3薄膜表現出更優的生長取向和臺階流生長模式，在保持優異深紫外光學透過度的同時，薄膜的遷移率和電導率明顯增加，有利于其在深紫外透明電極中的應用（如下圖3）。

圖2. (a) Si摻雜Ga2O3薄膜在0°和6°斜切Al2O3(0001)襯底上生長形貌圖；?(b) Si摻雜Ga2O3薄膜在XRD Phi掃描圖，顯示斜切襯底明顯降低了氧化鎵薄膜面內旋轉，降低了面內晶疇密度； (c) 在無斜切角度襯底 （左圖：島狀生長）和6°斜切襯底(右圖：階梯流生長)上Ga2O3薄膜的生長方式示意圖。

此外，研究團隊也基于X射線光電子能譜（XPS）及紫外光電子能譜（UPS）對Si摻雜Ga2O3薄膜表面電子性質進行了研究，發現β-Ga2O3表面具有超過0.35 eV向上的能帶彎曲，阻礙了歐姆接觸的形成。另一方面，Ga2O3薄膜表面約為3.3 eV的低功函數使其有望成為深紫外LED中的高效電子注入材料。

圖3. (a) Si:Ga2O3電極的紫外透過率隨波長的變化；?(b)在0°和6°斜切Al2O3(0001)襯底上生長的Si:Ga2O3薄膜的霍爾遷移率隨Si摻雜濃度的變化。

該研究結果為Ga2O3薄膜異質外延生長和深紫外透明導電材料的開發提供了重要實驗參考。相關工作以“Deep UV transparent conductive Si-doped Ga2O3?thin films grown on Al2O3?substrates”為題發表在知名應用物理期刊Applied Physics Letters上。本論文第一作者為廈門大學與杭州光機所聯合培養博士楊珍妮。本工作得到了國家自然科學基金和深圳市自然科學基金的資助和支持。

來源：廈門大學張洪良團隊 供稿

審核編輯：劉清