原子层沉积ZnO/β-Ga₂O₃（201）异质结能带对齐的XPS揭示

摘要

我们利用X射线光电子能谱（XPS）研究了ZnO/β-Ga₂O₃（201）异质结的能带对齐。原子层沉积（ALD）ZnO薄膜分别在150°C、200°C、250°C生长。所有界面均呈I型对齐。导带偏移（CBO）随生长温度升高从1.26 eV增至1.47 eV，价带偏移（VBO）从0.20 eV降至0.01 eV。CBO上升归因于Zn间隙原子，VBO降低源于受主型V_Zn+OH复合物。这些洞察为工程化ZnO/β-Ga₂O₃异质结构用于高功率电子器件提供定量基础。

引言

氧化镓（Ga₂O₃）凭借4.5-4.9 eV带隙、卓越热稳定性、8 MV/cm击穿场（超越SiC和GaN），成为下一代功率器件的领军超宽禁带（UWBG）半导体。其多型中，单斜β-Ga₂O₃热稳性最高，体电子迁移率≈100 cm²/V·s，吸引太阳盲光电探测器和MOSFET应用。然而，实现低电阻欧姆接触仍具挑战，插入高电子浓度的中间半导体层（ISL）已证明能有效缓解界面势垒。氧化锌（ZnO）是极具吸引力的ISL候选：3.3 eV带隙、高激子束缚能（60 meV）、电子浓度超10¹⁹ cm⁻³。与β-Ga₂O₃晶格失配<5%，减少应变。传统沉积法——水热和CVD——要么生长慢，要么需>900°C高温，限制器件集成。原子层沉积（ALD）提供亚纳米厚度控制、优异台阶覆盖、低沉积温度，是制备β-Ga₂O₃上高质量ZnO薄膜的理想选择。尽管理论预测了ZnO/β-Ga₂O₃带偏移，但实验测定尚缺乏。本研究通过测量ALD生长ZnO/β-Ga₂O₃能带对齐并考察温度对偏移的影响，填补这一空白。

方法

Sn掺杂β-Ga₂O₃（201）衬底（≈3×10¹⁸ cm⁻³）切成6×6 mm²。依次在丙酮和异丙醇中超声清洗（各10分钟），去离子水冲洗。装入无锡MNT微纳科技ALD反应器。使用Zn(C₂H₅)₂（DEZ）和H₂O前驱体，在150°C、200°C、250°C沉积ZnO薄膜（5 nm和40 nm）。生长速率~1.6 Å/循环。膜厚经Sopra GES-5E椭偏仪验证。40 nm ZnO/β-Ga₂O₃样品作体标准，5 nm ZnO/β-Ga₂O₃用于带偏移测定；裸β-Ga₂O₃为对照。XPS测量（AXIS Ultra DLD，岛津）以0.05 eV步长进行，先用2 kV氩离子刻蚀3分钟去除表面污染。所有谱校准至C 1s峰284.8 eV。价带最大值（VBM）通过前沿线性外推提取。UV-Vis透射光谱（Lambda 750，PerkinElmer）记录以通过Tauc分析确定光学带隙。

结果与讨论

图1展示体β-Ga₂O₃和200°C生长ZnO的Tauc图（(αhv)¹ᐟ² vs 光子能量）。提取光学带隙：β-Ga₂O₃为4.65 eV，ZnO为3.20 eV，与文献一致。

利用Kraut法计算VBO：ΔE_V = (E_Ga2p^Ga₂O₃ - E_VBM^Ga₂O₃) - (E_Zn2p^ZnO - E_VBM^ZnO) - (E_Ga2p^Ga₂O₃ - E_Zn2p^ZnO)。核心能级谱（图2）显示对称Zn 2p和Ga 2p峰，确认均匀键合。Zn 2p峰1021.09 eV、Ga 2p峰1117.78 eV分别对应Zn-O和Ga-O键。线性外推得VBM值：ZnO 2.11 eV，β-Ga₂O₃ 2.74 eV。代入公式(1)得VBO=0.06 eV。

CBO由公式ΔE_C = E_g^Ga₂O₃ - E_g^ZnO - ΔE_V得出。带图（图3）确认I型对齐，ZnO导带和价带完全嵌入β-Ga₂O₃禁带内。

为评估温度效应，亦在150°C和250°C生长ZnO薄膜。高分辨O 1s谱（图4）解卷积为Zn-O、氧空位、-OH成分。氧空位分随温度升高从10.7%增至15.0%，-OH从5.1%降至1.9%。趋势反映高温下前驱体分解增强、表面反应更完全。

图5总结偏移温度依赖性。CBO从1.26 eV升至1.47 eV，主要因Zn间隙原子增加抬升导带最小值（CBM）。VBO从0.20 eV降至0.01 eV，归因于受主复合物V_Zn+OH影响减弱，该复合物在低温更普遍。因此，低温ZnO沉积产生较低电子势垒，有利于ISL设计。

结论

原子层沉积ZnO/β-Ga₂O₃（201）呈现明确I型能带对齐。ZnO生长温度从150°C升至250°C时，CBO从1.26 eV增至1.47 eV，VBO从0.20 eV降至0.01 eV。这些趋势由温度依赖的缺陷化学主导：Zn间隙原子抬升CBO，V_Zn+OH复合物降低VBO。低温ZnO沉积作为中间半导体层可降低β-Ga₂O₃基功率器件界面电子势垒，更具优势。

缩略语

ALD

原子层沉积

CBM

导带最小值

CBO

导带偏移

CVD

化学气相沉积

DEZ

Zn(C₂H₅)₂

Ga₂O₃

氧化镓

GaN

氮化镓

ISL

中间半导体层

MOSFETs

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

OH

羟基

SiC

碳化硅

UV-VIS

紫外-可见光谱

VBM

价带最大值

VBO

价带偏移

XPS

X射线光电子能谱

ZnO

氧化锌