ε-Ga2O3/4H-SiC異質(zhì)結(jié)的能帶排列分析

甘明豐

（北京郵電大學(xué)理學(xué)院 北京 100876）

1 引言

隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代電子器件在近幾十年如雨后春筍般涌現(xiàn)，高性能器件逐漸形成了復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)。隨著器件變得復(fù)雜化和微縮化，界面問(wèn)題因其在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、電子器件、光伏器件、節(jié)能器件等方面的決定性作用而日益受到重視[1]。通過(guò)對(duì)界面現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)并研究了一系列具有高實(shí)用潛力和有趣物理特性的半導(dǎo)體器件。眾所周知，能帶偏移是半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中最重要的電子參數(shù)之一，因?yàn)樗鼤?huì)影響界面上載流子的遷移特性，并最終決定整個(gè)器件的性能[2]。因此，在設(shè)計(jì)和制造異質(zhì)結(jié)器件之前，研究其能帶排列，以挖掘其潛在的應(yīng)用價(jià)值是很有必要的。

氧化鎵(Ga2O3)是一種新興的高速發(fā)展中的寬禁帶半導(dǎo)體，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、光電探測(cè)器和電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)等領(lǐng)域，由于它具有適當(dāng)?shù)奈辗搴徒刂狗?，相比現(xiàn)有商用半導(dǎo)體材料具有更寬的帶隙(4.9 eV)、更低的生長(zhǎng)成本、更高的擊穿電壓(8 MV/cm)，超高的光電響應(yīng)率和響應(yīng)速度，具有巨大潛力[3]。

在已報(bào)道的晶相中，單斜晶系Ga2O3(β-Ga2O3)由于具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和高質(zhì)量的結(jié)晶性，是研究最多的晶相。最近Ga2O3的亞穩(wěn)態(tài)相，如α相和ε相，由于超寬的帶隙和一些獨(dú)特的材料特性，也開(kāi)始引起人們的興趣。其中，ε-Ga2O3被發(fā)現(xiàn)是一種在外部電場(chǎng)作用下具有可翻轉(zhuǎn)自發(fā)極化性的鐵電材料。根據(jù)密度泛函理論(DFT)計(jì)算和重合位置點(diǎn)陣模型(CSL)預(yù)測(cè)，在合適的外延條件下，ε-Ga2O3可以在與α相和β相的競(jìng)爭(zhēng)中穩(wěn)定存在[4]。通過(guò)選擇具有較大導(dǎo)帶偏移的外延匹配襯底，異質(zhì)結(jié)界面理論上還能形成高密度的二維電子氣(2DEG)，而且不需要借助摻雜工藝。此外，ε-Ga2O3由于具有可翻轉(zhuǎn)自發(fā)極化的鐵電性質(zhì)，能夠通過(guò)極化翻轉(zhuǎn)更劇烈地改變二維電子氣密度。Leone等[5]最近報(bào)道了在ε-Ga2O3/GaN異質(zhì)結(jié)界面下的面電荷密度為6.4×1012cm-2。然而，獲得高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)以提供更優(yōu)的電子輸運(yùn)特性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在本文中，我們通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)研究了ε-Ga2O3/4H-SiC異質(zhì)結(jié)的能帶排列。樣品的生長(zhǎng)方式均為金屬有機(jī)氣相沉積法(MOCVD)。因?yàn)棣?Ga2O3和4H-SiC同屬立方晶系與相同空間群P63 mc，晶格失配度較低，4H-SiC可以作為理想的外延襯底使用。利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜(UV-vis)獲得了其光學(xué)帶隙，結(jié)合XPS測(cè)定的材料光電子能譜，計(jì)算出了其價(jià)帶偏移量與導(dǎo)帶偏移量。

2 實(shí)驗(yàn)方法

為了計(jì)算Ga2O3/SiC異質(zhì)結(jié)的能帶排列，我們需要準(zhǔn)備3個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試。其中，樣品1為SiC襯底樣品；樣品2是薄Ga2O3樣品(5nm)，用于同時(shí)測(cè)試樣品Ga2O3/SiC界面的Ga，Si結(jié)合能信息；樣品3是厚Ga2O3樣品(70 nm)。Ga2O3樣品由MOCVD在商用SiC襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。生長(zhǎng)溫度為420 ℃，反應(yīng)氣壓為25 torr。能帶的偏移會(huì)隨著不同的材料生長(zhǎng)參數(shù)而發(fā)生變化，但在本文中，我們只在統(tǒng)一生長(zhǎng)環(huán)境下研究能帶的偏移量。

為了確定樣品的化學(xué)價(jià)態(tài)，我們使用ESCALAB 250Xi儀器(ThermoFisher Scientific)進(jìn)行了XPS光譜分析。為了校正電荷偏移，在測(cè)量過(guò)程中利用了表面附著物測(cè)定的C 1s(284.9 eV)核能級(jí)(core level，CL)。此外，利用日立U-3900紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)分別對(duì)SiC襯底和Ga2O3薄膜的光學(xué)帶隙Eg進(jìn)行了測(cè)量。

根據(jù)光電子能譜測(cè)量的計(jì)算方法[2], Ga2O3/SiC的價(jià)帶偏移量(ΔEv)和導(dǎo)帶偏移量(ΔEc)可以由下面的公式得出：

和

其中，[E_core^Ga2O3(b)-E_VBM^Ga2O3(b)]與[E_core^SiC (b)-E_VBM^SiC (b)]分別是Ga2O3與SiC材料內(nèi)的價(jià)帶頂部(VBM)與CL之差，[E_core^Ga2O3(i)-E_core^SiC(i)]是Ga2O3/SiC界面處的兩元素CL差值，E_g^Ga2O3(b)和E_g^SiC(b)分別是Ga2O3與SiC的光學(xué)帶隙。

3 結(jié)果與分析

如圖1所示，通過(guò)測(cè)量SiC和Ga2O3薄膜的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，分別擬合[(αhv)2-hv]的線(xiàn)性區(qū)域可以得到，SiC和Ga2O3的光學(xué)帶隙分別為3.29 eV與4.80 eV。其中，根據(jù)Biedermann[6]的研究，n型4H-SiC中2.70 eV處的吸收峰可歸因于布里淵區(qū)M點(diǎn)的導(dǎo)帶躍遷。將SiC和Ga2O3測(cè)定的光學(xué)帶隙值與其他文獻(xiàn)進(jìn)行比較[7-8]，可以發(fā)現(xiàn)Ga2O3和SiC的測(cè)量值與文獻(xiàn)中的光學(xué)帶隙相近。

圖1 通過(guò)圖(a)ε-Ga2O3和圖(b) SiC薄膜的紫外-可見(jiàn)吸收光譜數(shù)據(jù)擬合出的圖譜[(αhv)2-hv]的線(xiàn)性區(qū)域分別得到的光學(xué)帶隙

圖2展示了樣品1、2、3在-10到1350 eV范圍內(nèi)的XPS全譜圖。所得的圖譜峰值與過(guò)去報(bào)道的相同材料的XPS數(shù)據(jù)均一致。在Ga2O3/SiC異質(zhì)結(jié)的界面處（樣品2），測(cè)得Si與Ga的CL分別為101.12 eV和1118.8 eV。樣品1和3中，VBM的值由樣品XPS價(jià)帶譜的線(xiàn)性擬合的橫截距導(dǎo)出。SiC的VBM和CL分別為2.29 eV和100.92 eV，Ga2O3的VBM和CL分別為3 eV和1118.7 eV。因此由公式(1)計(jì)算，SiC/Ga2O3異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶偏移ΔE_v=0.61 eV。導(dǎo)帶偏移量也由公式(2)計(jì)算得出ΔE_c=0.9 eV。基于以上結(jié)果，得到Ga2O3/SiC異質(zhì)結(jié)的能帶示意圖3。Ga2O3/SiC異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)是Ⅰ型能帶排列（嵌套型），這表明界面上的價(jià)帶和能帶的不連續(xù)性將會(huì)控制載流子的注入和輸運(yùn)特性。這一性質(zhì)有望產(chǎn)生類(lèi)似肖特基二極管或p-n結(jié)的器件整流特性，減小漏電，并有機(jī)會(huì)用于設(shè)計(jì)非p-n結(jié)的光電器件。

圖2 SiC(樣品1)、薄的Ga2O3(樣品2)和厚的Ga2O3(樣品3)的XPS光譜圖及對(duì)應(yīng)的原子能級(jí)位置

圖3 Ga2O3/SiC的能帶排列示意圖

4 總結(jié)

在本文中，我們通過(guò)XPS對(duì)Ga2O3/SiC異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了能帶排列的研究，用Kraut的計(jì)算方法得到價(jià)帶偏移量為0.61 eV，導(dǎo)帶偏移量為0.9 eV，表現(xiàn)為嵌套式的Ⅰ型能帶排列。這表明該異質(zhì)結(jié)可用于設(shè)計(jì)具有整流特性的元件，為相關(guān)Ga2O3器件的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了一定基礎(chǔ)。