美国威斯康星大学麦迪逊分校陆义博士联合阿卜杜拉国王科技大学李晓航副教授团队：β-Ga₂O₃表面偶极形成及电子结构演化
由美国威斯康星大学麦迪逊分校陆义博士联合阿卜杜拉国王科技大学李晓航副教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Surface dipole formation and electronic structure evolution on β-Ga2O3（β-Ga2O3 表面偶极形成及电子结构演化）的文章。
一、 背景
超宽禁带半导体在下一代功率电子器件、深紫外光电子器件及极端环境传感中展现出重要应用前景，其中 β-Ga2O3 因其宽禁带（4.6–5 eV）、高击穿电场（8 MV/cm）以及大尺寸单晶衬底的可获得性而备受关注。不同晶向中，(010) 晶面电子迁移率较高，适合高功率高频应用；(-201) 晶面热力学稳定性最高，利于异质外延生长，两者均是高性能器件制备的可靠平台。为了提升表面洁净度、化学计量比及界面质量，研究者采用 HF、HCl、H2O2、紫外/臭氧气体处理、CF4/O2 等表面处理技术，其中 Piranha 溶液（H2SO4:H2O2）被广泛用于去除有机残留并促进富氧终端形成，显著改善 ALD-Al2O3/β-Ga2O3 界面质量并降低界面陷阱密度。然而，表面处理前后 β-Ga2O3 的电子结构演变及功函数、表面能带弯曲和真空能级对齐对界面行为的影响仍缺乏系统研究。紫外光电子能谱（UPS）可用于探测功函数和价带结构，但无法提供核心能级信息；在负偏压下进行的 X 射线光电子能谱（XPS）则可同时获取功函数、核心能级及价带最大值，保证内部一致性，为精确构建表面能带图提供可靠基础。本研究以 Piranha 溶液处理 (-201) 和 (010) 晶向 β-Ga2O3 表面，结合原位 Ar⁺ 离子溅射和 XPS 分析，系统量化表面化学计量比、Ga–OH 羟基、氧空位及表面能带结构。研究揭示了由偶极子驱动的功函数降低机制，为 β-Ga2O3 表面行为理解及 Ga2O3 器件界面工程提供了新思路。
二、 主要内容
Ga2O3 的表面电子结构对其金属/Ga2O3 接触、半导体/Ga2O3 界面性质以及器件整体性能具有关键影响。然而，基本的表面特性，例如能带弯曲和真空能级弯曲，尤其在表面处理过程中，尚未被充分理解。本研究系统地利用 X 射线光电子能谱（XPS）结合原位 Ar⁺ 离子溅射，考察了 (−201) 和 (010) 晶向 β-Ga2O3 表面的演变过程。两种表面在广泛使用的 Piranha 处理后，功函数显著降低，这主要归因于富氧终端形成的指向内部的表面偶极子。随着离子刻蚀的进行，功函数逐渐升高，并在偶极子层完全去除后最终饱和。Ga:O 比值及 O 1s 峰分解表明 Ga–OH 羟基逐渐减少，使表面回归化学计量组成。定量分析显示，真空能级弯曲 (~0.9 eV) 远大于能带弯曲 (~0.2 eV)，凸显了偶极子主导机制。这些结果为表面化学与电子结构之间的复杂相互作用提供了重要见解，并为通过表面偶极子调控进行合理能带对齐和优化 Ga2O3 基器件界面提供了策略。
三、 总结
本研究系统地考察了 Piranha 处理后的 (−201) 和 (010) 晶向 β-Ga2O3 表面电子结构，采用原位 XPS 结合分步 Ar⁺ 离子刻蚀的方法。该方法能够清晰地区分真空能级弯曲与导带/价带弯曲。Piranha 处理在表面形成富氧层，引入了不对称电荷分布和指向内部的偶极子，导致显著的真空能级偏移 [(-201) 晶面 0.93 eV，(010) 晶面 0.89 eV] 以及功函数降低。随着偶极子层被刻蚀，真空能级逐渐上移，同时表面能带弯曲和 Ga–OH 浓度同步降低。与真空能级变化相比，核心能级偏移 (~0.2 eV) 较小，确认偶极子形成是初始低功函数的主要机制。这些结果为 Ga2O3 表面电子结构提供了关键见解，并为能带对齐工程与 Ga2O3 基电子及光电子器件界面优化提供了重要参考。
图 1. (a) 通过 XPS 二次电子截止（SECO）提取表面功函数 (Φₛ) 的示意图。(b) 标准 Au 样品的 XPS 光谱，显示 SECO 与费米能级。(c) Au 4f 光谱。(d) Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ (−201) 单晶的 XRD 2θ–ω 扫描。(e) 外延生长在 (010) 衬底上的 β-Ga₂O₃ (010) 薄膜 XRD 2θ–ω 扫描。(d) 和 (e) 中分别展示了 β-Ga₂O₃ (−201) 和 (010) 表面的 VESTA 渲染原子模型。
图 2. (−201) β-Ga₂O₃ 表面电子结构随深度的演变。(a) 不同 Ar⁺ 溅射时间下原位测量的 SECO 光谱演变。(b) 从 (a) 提取的功函数。(c) 和 (d) 归一化的 Ga 3d 和 O 1s 核能级光谱。(e) 相对于初始状态 (0 s) 的 Ga 3d 和 O 1s 结合能偏移（左轴）以及功函数偏移 ΔΦₛ（右轴）。(f) (−201) 表面重构的能带示意图。导带（CB）假设表面和亚表面禁带相同，因为表面禁带无法直接测量。
图 3. (−201) β-Ga₂O₃ 表面化学组成随深度的演变。(a) Ga:O 原子比随 Ar⁺ 刻蚀时间的变化。(b) 在 0、210 和 330 s 的 O 1s 拟合光谱。(c) OII / (OI + OII)比值随刻蚀时间的变化。
图 4. (010) β-Ga₂O₃ 表面电子结构和化学组成随深度的演变。(a) 不同 Ar⁺ 刻蚀时间下测量的 SECO 光谱。(b) 随刻蚀时间变化提取的功函数。(c) 和 (d) 归一化的 Ga 3d 和 O 1s 核能级光谱。(e) Ga 3d 和 O 1s 结合能偏移（左轴）及功函数偏移 ΔΦₛ（右轴）。(f) Ga:O 原子比随刻蚀时间变化。(g) OII / (OI + OII) 比值随刻蚀时间变化。(h) (010) 表面重构的能带示意图。导带（CB）假设表面和亚表面禁带相同，因为表面禁带无法直接测量。
图 5.(a) Piranha 处理与 Ar⁺ 离子刻蚀序列的表面修饰示意图。(b) 金属/β-Ga₂O₃接触示意图。(c) 引入富氧终端的半导体/β-Ga₂O₃ 异质结示意图。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0288912
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