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SrTiO3衬底上β-Ga2O3薄膜的外延生长及其氢掺杂

β-Ga2O3薄膜,异质外延,氢掺杂,电学性能

单斜相氧化镓（β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>）是一种直接带隙半导体，具有宽带隙（4.9 eV）、高击穿电场强度（8 MV/cm）以及良好的化学和热稳定性等有优点，在下一代功率器件和日盲紫外光电子器件等领域具有应用潜力。SrTiO<sub>3</sub>（STO）是一种具有双极掺杂性质的宽带隙半导体，与β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>具有良好的晶格匹配关系，其可与β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>构成异质结并应用于光电子器件中，是一种有前景的β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>异质外延生长衬底。氢是一种常见的存在于β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>中的杂质，可调节β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的电学性能，近年来引起人们的广泛关注。然而尽管经过多年的研究，由于缺乏微观和宏观尺度的综合表征，氢掺杂对β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>电学性能的影响依然不是很清楚。此外，p型β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的缺乏严重阻碍了基于其p-n同质结的高性能器件的发展。在本工作中，我们通过低压化学气相沉积法（LPCVD）方法，在STO (100)和(111)两种衬底上均实现了β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜的外延生长，其取向关系分别为β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (100)[001] || STO (100)[011]、β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (-201)[102] || STO (111)[11-2]。通过氢等离子体处理实现了β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜的n型掺杂。采用霍尔光致发光导电原子力显微镜（CAFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）等系统研究了氢掺杂对β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜电学性能的影响。我们发现氢掺入β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>中不仅引入了H<sub>i</sub>等浅施主态，而且通过形成V<sub>Ga</sub>-4h配合物钝化了V<sub>Ga</sub>缺陷。因此，氢掺杂β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜的载流子浓度和迁移率均显著提高，电导率较本征β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜提高了4个数量级。这些结果与从CAFM和KPFM获得的局部电导率和表面电势分布一致。此外，我们发现β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜的功函数也可以通过氢等离子体处理来调节。<br />