ε-Ga2O3/4H-SiC異質結的能帶排列分析

甘明豐

（北京郵電大學理學院 北京 100876）

1 引言

隨著半導體材料科學的發展，現代電子器件在近幾十年如雨后春筍般涌現，高性能器件逐漸形成了復雜化的結構。隨著器件變得復雜化和微縮化，界面問題因其在數據存儲和處理、電子器件、光伏器件、節能器件等方面的決定性作用而日益受到重視[1]。通過對界面現象的研究，人們發現并研究了一系列具有高實用潛力和有趣物理特性的半導體器件。眾所周知，能帶偏移是半導體異質結中最重要的電子參數之一，因為它會影響界面上載流子的遷移特性，并最終決定整個器件的性能[2]。因此，在設計和制造異質結器件之前，研究其能帶排列，以挖掘其潛在的應用價值是很有必要的。

氧化鎵(Ga2O3)是一種新興的高速發展中的寬禁帶半導體，在場效應晶體管(FET)、光電探測器和電阻式隨機存儲器(RRAM)等領域，由于它具有適當的吸收峰和截止峰，相比現有商用半導體材料具有更寬的帶隙(4.9 eV)、更低的生長成本、更高的擊穿電壓(8 MV/cm)，超高的光電響應率和響應速度，具有巨大潛力[3]。

在已報道的晶相中，單斜晶系Ga2O3(β-Ga2O3)由于具有較高的熱力學穩定性和高質量的結晶性，是研究最多的晶相。最近Ga2O3的亞穩態相，如α相和ε相，由于超寬的帶隙和一些獨特的材料特性，也開始引起人們的興趣。其中，ε-Ga2O3被發現是一種在外部電場作用下具有可翻轉自發極化性的鐵電材料。根據密度泛函理論(DFT)計算和重合位置點陣模型(CSL)預測，在合適的外延條件下，ε-Ga2O3可以在與α相和β相的競爭中穩定存在[4]。通過選擇具有較大導帶偏移的外延匹配襯底，異質結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由于具有可翻轉自發極化的鐵電性質，能夠通過極化翻轉更劇烈地改變二維電子氣密度。Leone等[5]最近報道了在ε-Ga2O3/GaN異質結界面下的面電荷密度為6.4×1012cm-2。然而，獲得高質量的異質結構以提供更優的電子輸運特性仍然是一個挑戰。

在本文中，我們通過X射線光電子能譜(XPS)研究了ε-Ga2O3/4H-SiC異質結的能帶排列。樣品的生長方式均為金屬有機氣相沉積法(MOCVD)。因為ε-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-可見吸收光譜(UV-vis)獲得了其光學帶隙，結合XPS測定的材料光電子能譜，計算出了其價帶偏移量與導帶偏移量。

2 實驗方法

為了計算Ga2O3/SiC異質結的能帶排列，我們需要準備3個樣品進行測試。其中，樣品1為SiC襯底樣品；樣品2是薄Ga2O3樣品(5nm)，用于同時測試樣品Ga2O3/SiC界面的Ga，Si結合能信息；樣品3是厚Ga2O3樣品(70 nm)。Ga2O3樣品由MOCVD在商用SiC襯底上進行外延生長。生長溫度為420 ℃，反應氣壓為25 torr。能帶的偏移會隨著不同的材料生長參數而發生變化，但在本文中，我們只在統一生長環境下研究能帶的偏移量。

為了確定樣品的化學價態，我們使用ESCALAB 250Xi儀器(ThermoFisher Scientific)進行了XPS光譜分析。為了校正電荷偏移，在測量過程中利用了表面附著物測定的C 1s(284.9 eV)核能級(core level，CL)。此外，利用日立U-3900紫外-可見分光光度計分別對SiC襯底和Ga2O3薄膜的光學帶隙Eg進行了測量。

根據光電子能譜測量的計算方法[2], Ga2O3/SiC的價帶偏移量(ΔEv)和導帶偏移量(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材料內的價帶頂部(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的光學帶隙。

3 結果與分析

如圖1所示，通過測量SiC和Ga2O3薄膜的紫外-可見吸收光譜，分別擬合[(αhv)2-hv]的線性區域可以得到，SiC和Ga2O3的光學帶隙分別為3.29 eV與4.80 eV。其中，根據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M點的導帶躍遷。將SiC和Ga2O3測定的光學帶隙值與其他文獻進行比較[7-8]，可以發現Ga2O3和SiC的測量值與文獻中的光學帶隙相近。

圖1 通過圖(a)ε-Ga2O3和圖(b) SiC薄膜的紫外-可見吸收光譜數據擬合出的圖譜[(αhv)2-hv]的線性區域分別得到的光學帶隙

圖2展示了樣品1、2、3在-10到1350 eV范圍內的XPS全譜圖。所得的圖譜峰值與過去報道的相同材料的XPS數據均一致。在Ga2O3/SiC異質結的界面處（樣品2），測得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價帶譜的線性擬合的橫截距導出。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)計算，SiC/Ga2O3異質結的價帶偏移ΔE_v=0.61 eV。導帶偏移量也由公式(2)計算得出ΔE_c=0.9 eV。基于以上結果，得到Ga2O3/SiC異質結的能帶示意圖3。Ga2O3/SiC異質結的能帶結構是Ⅰ型能帶排列（嵌套型），這表明界面上的價帶和能帶的不連續性將會控制載流子的注入和輸運特性。這一性質有望產生類似肖特基二極管或p-n結的器件整流特性，減小漏電，并有機會用于設計非p-n結的光電器件。

圖2 SiC(樣品1)、薄的Ga2O3(樣品2)和厚的Ga2O3(樣品3)的XPS光譜圖及對應的原子能級位置

圖3 Ga2O3/SiC的能帶排列示意圖

4 總結

在本文中，我們通過XPS對Ga2O3/SiC異質結進行了能帶排列的研究，用Kraut的計算方法得到價帶偏移量為0.61 eV，導帶偏移量為0.9 eV，表現為嵌套式的Ⅰ型能帶排列。這表明該異質結可用于設計具有整流特性的元件，為相關Ga2O3器件的設計應用提供了一定基礎。