氧分压对光学浮区法生长 β -Ga2O3单晶的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0264

摘要/Abstract

摘要： 第四代半导体氧化镓（Ga₂O₃）因独特的物性和易获得大尺寸单晶的优势，在深紫外光电探测和高能效功率电子领域具有重要应用。氧空位作为氧化物半导体常见的本征点缺陷之一，是影响Ga₂O₃材料质量和器件性能的核心因素。实现Ga₂O₃单晶中氧空位的调控具有重要的现实意义。本研究利用光学浮区法无容器、高纯度的生长优势，构建了精确可控的氩/氧混合气氛场，探究了氧分压参数对β-Ga₂O₃单晶氧空位缺陷浓度的作用效果。实验结果表明，随着氩/氧混合气氛中氧含量增大，β-Ga₂O₃单晶的光透过率明显改善，晶格有序度显著提升，PL谱中缺陷相关的发光强度显著降低。通过X射线光电子能谱O 1s阴离子和Ga 3d阳离子分析共同证实，β-Ga₂O₃单晶中的氧空位缺陷浓度随着氧分压的增大而降低。本文开展的光学浮区法氧分压对β-Ga₂O₃单晶氧空位缺陷影响研究，可为高质量氧化物单晶生长提供技术方案参考。

关键词: 氧化镓; 光学浮区法; 氧空位; 氧分压; 单晶; X射线光电子能谱

Abstract: Gallium oxide （Ga₂O₃） is a representative fourth-generation semiconductor with unique physical properties and the advantage of readily available large-area single crystals. These characteristics make Ga₂O₃ highly attractive for deep-ultraviolet photodetection and high-efficiency power electronic applications. Oxygen vacancies are among the most common intrinsic point defects in oxide semiconductors and play a crucial role in determining the material quality and device performance of Ga₂O₃. Therefore， effective control of oxygen vacancies in Ga₂O₃ single crystals is of significant practical importance. In this work，β-Ga₂O₃ single crystals were grown by optical floating zone method， which enables crucible-free growth and high material purity. A precisely controlled Ar/O₂ mixed atmosphere was employed to systematically investigate the effect of oxygen partial pressure on oxygen vacancy defect concentration inβ-Ga₂O₃ single crystals. With increasing oxygen content in the growth atmosphere， the optical transmittance ofβ-Ga₂O₃ single crystals is markedly enhanced， and the lattice ordering is significantly improved. Meanwhile， the defect-related photoluminescence emission is strongly suppressed. X-ray photoelectron spectroscopy analyses of the O 1s anion and Ga 3d cation states consistently demonstrate that the oxygen vancancy defect concentration decreases with increasing oxygen partial pressure. These results indicate that oxygen partial pressure is an effective parameter for regulating oxygen vacancy defect concentration inβ-Ga₂O₃ single crystals. This study provides practical guidance for the growth of high-quality oxide semiconductor single crystals.

Key words: gallium oxide; optical floating zone method; oxygen vacancy; oxygen partial pressure; single crystal; X-ray photoelectron spectroscopy

中图分类号:

O782

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图/表 12

图1 OFZ法晶体生长示意图（a）、不同氧分压下生长的β-Ga2O3单晶照片（b）及其XRD图谱（c）

Fig.1 Schematic diagram of crystal growth by OFZ method （a）， photographs ofβ-Ga2O3 single crystals grown under different oxygen partial pressures （b）， and their XRD patterns （c）

表1 UID β -Ga2O3和不同氧分压下 β -Ga2O3拉曼光谱的峰位拟合

Table 1 Raman peak fitting of UIDβ -Ga2O3 and β -Ga2O3 under different oxygen partial pressures

Raman mode	Peak/cm^-1
Raman mode	Reference^［16］	OFZ-5% O₂	OFZ-10% O₂	OFZ-15% O₂	OFZ-20% O₂
$A g (1)$	111.0	115.7	115.9	115.6	115.9
$B g (2)$	144.8	146.4	146.3	146.4	146.5
$A g (2)$	169.9	171.4	171.4	171.4	171.4
$A g (3)$	200.2	201.9	201.9	201.9	201.9
$A g (4)$	320.0	322.0	322.5	321.5	322.5
$A g (5)$	346.6	348.9	348.5	348.6	348.6
$A g (6)$	416.2	418.4	418.3	418.4	418.4
$A g (7)$	474.9	477.3	477.4	477.5	477.4
$A g (8)$	630.0	632.3	632.2	632.3	632.0
$A g (9)$	658.3	659.3	660.1	660.5	660.3
$A g (10)$	766.7	768.7	768.8	768.7	768.7

表1 UID β -Ga2O3和不同氧分压下 β -Ga2O3拉曼光谱的峰位拟合

Table 1 Raman peak fitting of UIDβ -Ga2O3 and β -Ga2O3 under different oxygen partial pressures

Raman mode	Peak/cm^-1
Raman mode	Reference^［16］	OFZ-5% O₂	OFZ-10% O₂	OFZ-15% O₂	OFZ-20% O₂
$A g (1)$	111.0	115.7	115.9	115.6	115.9
$B g (2)$	144.8	146.4	146.3	146.4	146.5
$A g (2)$	169.9	171.4	171.4	171.4	171.4
$A g (3)$	200.2	201.9	201.9	201.9	201.9
$A g (4)$	320.0	322.0	322.5	321.5	322.5
$A g (5)$	346.6	348.9	348.5	348.6	348.6
$A g (6)$	416.2	418.4	418.3	418.4	418.4
$A g (7)$	474.9	477.3	477.4	477.5	477.4
$A g (8)$	630.0	632.3	632.2	632.3	632.0
$A g (9)$	658.3	659.3	660.1	660.5	660.3
$A g (10)$	766.7	768.7	768.8	768.7	768.7

图2 不同氧分压下β-Ga2O3的拉曼光谱

Fig.2 Raman spectra ofβ-Ga2O3 under different oxygen partial pressures

图3 不同氧分压下β-Ga2O3的紫外-可见-近红外透射光谱（a）及带隙（b）

Fig.3 UV-Vis-NIR transmission spectra （a） and band gap （b） ofβ-Ga2O3 under different oxygen partial pressures

图4 不同氧分压下β-Ga2O3单晶的发射光谱

Fig.4 Emission spectra ofβ-Ga2O3 single crystals under different oxygen partial pressures

表2 不同氧分压下 β -Ga2O3的发射光谱分峰拟合参数

Table 2 Fitted emission peak parameters of β -Ga2O3 under different oxygen partial pressures

Sample	Area		Position
Sample	UV	BL	UV	BL
OFZ-5% O₂	65.1	49.5	382.4	452.2
OFZ-10% O₂	68.9	41.8	377.0	450.9
OFZ-15% O₂	68.7	38.0	375.2	449.9
OFZ-20% O₂	71.0	30.1	373.3	448.3

图5 不同氧分压下β-Ga2O3全谱扫描

Fig.5 Full spectra scanning ofβ-Ga2O3 under different oxygen partial pressures

图6 不同氧分压下O 1s精细扫描谱及分峰拟合

Fig.6 O 1s fine scanning spectra and peak fitting under different oxygen partial pressures

表3 不同氧分压下O 1s分峰拟合及氧空位缺陷浓度

Table 3 O 1s peak fitting and oxygen vacancy defect concentration under different oxygen partial pressures

Sample	Concentration/%
Sample	O（I）	O（II）	O（III）	V_O
OFZ-5% O₂	63.7	28.9	7.4	31.2
OFZ-10% O₂	64.4	25.2	10.4	28.1
OFZ-15% O₂	65.8	23.4	10.8	26.2
OFZ-20% O₂	69.4	20.0	10.6	22.4

图7 不同氧分压下Ga 3d-O 2s精细扫描谱及分峰拟合

Fig.7 Fine scanning spectra and peak fitting of Ga 3d-O 2s under different oxygen partial pressures

表4 不同氧分压下Ga 3d-O 2s分峰拟合及氧空位缺陷浓度

Table 4 Ga 3d-O 2s peak fitting and oxygen vacancy defect concentration under different oxygen partial pressures

Sample	Ga³⁺ ratio/%	Ga⁺ ratio/%	Concentration of V_O/%
OFZ-5% O₂	70.9	29.1	19.4
OFZ-10% O₂	75.1	24.9	16.6
OFZ-15% O₂	80.5	19.5	13.0
OFZ-20% O₂	86.2	13.8	9.2

表5 不同氧分压下 β -Ga2O3单晶的Ga 3d-O 2s和O 1s峰的有效面积和O/Ga原子比

Table 5 Effective area and O/Ga atomic ratio of Ga 3d-O 2s and O 1s peaks in β -Ga2O3 single crystals under different oxygen partial pressures

Sample	Effective area		O/Ga atomic ratio
Sample	O 1s	Ga 3d	O/Ga atomic ratio
OFZ-5% O₂	3 571.1	3 506.5	1.02
OFZ-10% O₂	3 656.6	3 518.4	1.04
OFZ-15% O₂	3 356.5	3 050.9	1.10
OFZ-20% O₂	3 239.9	2 502.7	1.29

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氧分压对光学浮区法生长 β -Ga₂O₃单晶的影响

Effect of Oxygen Partial Pressure on β -Ga₂O₃ Single Crystals Grown by Optical Floating Zone Method

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