中科院半导体所刘兴昉：退火实现晶圆级二维Ga₂O₃薄膜带隙调控

二维氧化镓（2D-Ga2O3）兼具超宽禁带半导体和二维材料的独特优势，在太阳盲紫外探测、透明电子和柔性光电子器件中具有重要应用潜力。然而，2D-Ga2O3并非典型范德华层状材料，难以像石墨烯或过渡金属硫族化合物那样通过可靠的层数调控实现能带工程。同时，传统掺杂方法可能引入杂质散射和缺陷复合中心，削弱其超宽禁带本征优势。因此，如何在保持材料本征特性的基础上，实现大面积制备和电子结构调控，是推动 2D-Ga2O3 走向实际光电器件应用的关键问题。

针对这一挑战，团队采用液态镓表面自限制氧化机制，发展了晶圆级接触印刷制备策略，在SiO2/Si晶圆上获得了连续、均匀的2D-Ga2O3薄膜。通过调控退火温度和时间，研究了薄膜中表面羟基、氧空位、晶格有序度以及界面反应的演化过程。结果表明，适度退火可促进缺陷修复和晶格重构，而高温或长时间退火则会诱导Ga–Si–O固溶层形成。结合 AFM、TEM、XPS、UPS 和 PL 等多种表征手段，团队建立了退火参数、缺陷演化、结构重构与能带调控之间的内在关联，实现了2D-Ga2O3带隙从4.88 eV到7.22 eV的宽范围调节。

该工作使用退火工艺将热能转化为缺陷调控、晶格重构和界面固溶的驱动力，为2D-Ga2O3提供了一条非掺杂、可调控、工艺兼容的能带工程路径。研究不仅拓展了2D-Ga2O3的带隙调控范围，也为理解非范德华二维氧化物中的缺陷态、界面反应和电子结构演化提供了重要依据。未来，该策略有望进一步服务于太阳盲紫外探测器、深紫外光电子器件和宽禁带半导体异质集成，为新型二维氧化物半导体材料的功能设计与器件应用提供新的研究思路。相关工作以“Bandgap modulation in self-limited two-dimensional Ga2O3 films via defect engineering”为题，发表于AIP期刊 Applied Physics Letters，论文第一作者为中国科学院半导体研究所魏默予博士生，通讯作者为刘兴昉研究员。

图1 2D-Ga2O3薄膜的touch printing工艺示意，包括触控印刷与氧化层剥离流程，转移到SiO2/Si晶圆上的薄膜照片、晶圆级厚度分布、光学显微镜及TEM暗场成像，以及STEM HAADF的Ga与O元素分布映射

图2 Ga2O3薄膜能带结构调控展示，包括五组特定退火工艺下样品的价带光谱、O 1s能量损失谱和 UPS 测量结果，Eg、价带顶与功函数汇总，以及对应能带结构示意图

团队介绍

本研究团队长期深耕化合物半导体材料与器件核心领域，是一支由研究员、青年科研骨干与硕博研究生组成的科研队伍。团队成员结构梯队完善、分工明晰，涵盖材料外延生长、微观结构表征、器件工艺制备、性能测试分析等多个研究方向。多年来，团队聚焦第三代、第四代宽禁带半导体前沿技术，持续围绕碳化硅、氧化镓等核心半导体材料制备、缺陷调控、性能提升及产业化开展系统工作，为技术应用与成果转化筑牢了坚实根基。

文章信息

Bandgap modulation in self-limited two-dimensional Ga₂O₃ films via defect engineering

Moyu Wei, Yunkai Li, Yicheng Pei, Yuyang Wang, Hanyu Zhao, Chenlin Ai, Han Kong, Guoguo Yan, Xingfang Liu

Appl. Phys. Lett.128, 062107 (2026)

https://doi.org/10.1063/5.0309464

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信息来源： AIPP学术

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