[论文解读] Study on the Effect of Annealing on Ga$_2$O$_3$ Thin Films Deposited on Silicon by RF Sputtering

Ana Sofia Sousa, Duarte Magalhães Esteves+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2026

Ga2O3 and related materials被引用 0

一句话总结

本研究分析热退火（550–1000 °C） 如何影响RF溅射Ga2O3薄膜在硅上的光学、结构和成分特性，使用椭圆偏振、XRD、RBS和AFM。更高的退火温度伴随折射率的显著提高和晶体有序性的改善，并观察到SiO2界面生长。

ABSTRACT

Gallium oxide is an ultra-wide bandgap semiconductor with excellent opto-electronic properties, making it a highly promising material for a wide range of applications and devices. In this article, we report how the optical, morphological, structural, and compositional properties of $β$-Ga$_2$O$_3$ thin films deposited by RF sputtering on silicon substrates are affected by thermal treatments. Ellipsometric spectra recorded at multiple angles of incidence from several samples subjected to thermal annealing in the range of 550-1000 $^\circ$C were analyzed to extract the optical functions using appropriate multilayer models. This analysis is complemented by compositional, structural, and morphological characterization techniques. A significant increase of the refractive index was found after annealing at 1000 $^\circ$C, accompanied by a stark improvement in the samples' crystalline structure, as confirmed by complementary structural and compositional characterization techniques.

研究动机与目标

• 了解退火温度如何影响RF溅射Ga2O3薄膜在Si上的光学、结构和成分特性。
• 将折射率的变化与热处理引起的结构和成分转变相关联。
• 评估由于退火导致的薄膜密度、厚度、计量比和界面氧化物形成的变化。

提出的方法

• 室温下RF溅射Ga2O3，在Si基底上形成约73 nm薄膜。
• 在空气中将样品以150 °C刻度从550到1000 °C退火1小时。
• 利用分光椭偏法并结合Tauc-Lorentz模型提取n、k和层厚度进行表征。
• 补充分析：AFM用于表面形貌，RBS用于深度组成和层厚，XRD用于晶体结构及晶粒尺寸/微应变。
• 数据拟合使用三层模型（Ga2O3/SiO2/Si），采用Tiour–Lorentz色散；退火后对n(λ)应用Wemple–DiDomenico分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 退火温度如何影响Ga2O3薄膜在Si上的折射率和光学色散？
• RQ2 伴随退火的结构（晶体质量、晶粒尺寸、微应变）与成分（Ga/O/SiO2界面层）变化？
• RQ3 退火是否影响薄膜密度和界面氧化物生长，这些如何与光学性质相关？

主要发现

• 632.8 nm处的折射率随退火增加而提高，1000 °C时为n = 1.915，原始为n = 1.851。
• XRD显示β-Ga2O3 400反射峰随退火温度上升而出现并变尖，表明晶体有序性提升且晶粒尺寸增大。
• RBS显示SiO2界面层随退火温度增加而增厚（从6→15→24→62→202（以10^15个原子/ cm^2计）），Ga/O计量比从约44/56%变为约40/60%。
• 薄膜密度随退火提高而增加，温度升高时趋近β-Ga2O3的理论密度。
• AFM显示RMS粗糙度在850 °C之前基本不变，但在1000 °C时急剧增加（0.5→0.6→0.7→0.9→5.4 nm），与晶粒生长相关。
• ELA（椭圆偏振）证实SiO2界面的增厚和整个退火系列中n的增高，k在紫外区前仍可忽略，与带隙扩大和缺陷密度降低一致。