东北师范大学宽带隙半导体外延团队：通过MOCVD法生长的适用于深紫外光电子学应用的高 ...

由东北师范大学的MOCVD外延研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为MOCVD-grown α-Ga2O3 with increased growth rate and improved crystal quality for deep UV optoelectronics application（通过 MOCVD 法生长的适用于深紫外光电子学应用的高生长速率与优异晶体质量 α-Ga2O3 材料）的文章。

背景

超宽禁带半导体材料是日盲紫外探测应用领域不可或缺的一部分。虽然单斜结构的 β-Ga2O3 是最稳定的相且研究最广泛，但刚玉结构的 α-Ga2O3 在某些方面更具吸引力。其禁带宽度更大，这意味着对深紫外光的截止特性更精准。α-Ga2O3 与常用的蓝宝石（Al2O3）衬底具有相同的晶体结构（刚玉结构），理论上更容易实现高质量的异质外延生长，且能与现有的 GaN 基光电工艺实现更好的兼容。但 α-Ga2O3 是亚稳态相。在常规外延生长中，如果温度过高，它极易转变为 β 相。为了维持 α 相，生长通常需要在较低温度下进行。然而，低温生长会导致前驱体分解不充分，从而产生极低的生长速率和较差的晶体质量。生长速率缓慢不仅增加了生产成本，还限制了厚膜器件的开发。而晶体质量差则直接导致探测器的响应速度慢、暗电流大。该研究提出了一种全新的生长策略，旨在同时打破相稳定性、生长速率、晶体质量这三者之间的权衡关系。

主要内容

本文的主要关键点是通过晶核的控制，分析了表面形貌、缺陷对表面能的影响，对氧化物半导体氧化镓的生长动力学进行了初步的探讨。通过在金属有机化学气相沉积过程中采用 700 ℃ 高温缓冲层（HTBL），在 530 ℃ 的 m-Al2O3 衬底上外延生长出 α-Ga2O3 薄膜，其生长速率提升超过三倍。通过表面分析实验与基于吉布斯-汤姆森方程及第一性原理计算的理论模型，阐明了生长速率提升的内在机制。HTBL 表面形态呈现较大且分布稀疏的岛状结构，导致表面化学势降低，通过减少脱附促进 Ga2O3 簇吸附，从而提升生长速率。X 射线光电子能谱显示 HTBL 表面存在更多氧空位 (Vo)。第一性原理计算表明，(30-30) 表面上的 Vo 将吸附能从 −5.48 eV 降低至 −6.61 eV，从而促进簇吸附。不仅如此，HTBL还可以显著提高了 α-Ga2O3 的晶体质量，其 (30-30) 峰的 X 射线衍射摇摆曲线线宽减小即为明证。该峰宽降至 0.387°，较未涂覆 HTBL 样品的 0.592° 显著缩窄。基于 α-Ga2O3 的日盲紫外光探测器在 10 V 电压下展现出 0.1 pA 的超低暗电流，106 的光暗电流比，0.54 A/W 的响应度以及 5.5 × 1012 Jones 的探测率。

创新点

•在衬底表面形成了特定取向的纳米晶核。这些晶核在后续低温生长中充当了高效的模板，显著降低了成核势垒。

•解释了 HTBL 如何通过调节表面能和原子扩散长度来加速 Ga 原子的捕获。

•本研究证明通过界面工程，可以在保证亚稳相不失效的前提下，实现高效、高质的快速生长。

总结

通过金属有机化学气相沉积法，在 m 面蓝宝石衬底上成功外延生长出纯相 α-Ga2O3 薄膜。通过引入 HTBL 层，显著提升了 α-Ga2O3 薄膜的晶体质量，这体现在 (30-30) XRD 摇摆曲线的半高全宽 (FWHM) 从 0.592° 缩减至 0.417°。同时，薄膜生长速率从 1.56±0.05 nm/min（均值±标准差）显著提升至 5.38±0.10 nm/min（均值±标准差），证实缓冲层策略在提升薄膜质量与沉积效率方面均具成效。通过进一步优化生长参数，半高全宽（FWHM）进一步缩窄至 0.387°，表明晶体结构显著改善。基于该高质量薄膜，采用热蒸发制备叉指状铝电极制备了金属-半导体-金属（MSM）结构的日盲紫外光探测器。该器件展现出卓越性能：10 V 偏压下暗电流仅 0.1 pA，光暗电流比高达106，峰值响应度达 0.54 A/W，检出率达 5.5 × 1012 Jones。值得注意的是，在低光照条件（0.52 μW/cm2）下，该探测器仍保持 16 mA/W 的响应度和 1.62 × 1011 Jones的检出率，彰显其在低强度环境中实现高灵敏度深紫外检测的潜力。这些结果表明，HTBL 技术与优化生长条件的结合，为实现高性能 α-Ga2O3 基日盲光探测器的可扩展制造提供了可行路径。

项目支持

本研究得到了国家自然科学基金（62274027，62404039）、松山湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFK03）、111 中心（B25030）、吉林省资助（20220502002GH）、中国博士后科学基金（GZC20230416）、中央高校基本科研业务费专项资金（2412024QD010）、吉林省教育厅科研项目（JJKH20250304BS）的支持。

图1：α-Ga2O3 薄膜的原子力显微镜图像：（a）样品 A1 与（d）样品 A2；α-Ga2O3 薄膜的扫描电子显微镜图像：表面形貌（b）样品 A1 与（e）样品 A2；截面结构（c）样品 A1 与（f）样品 A2

图2：(a)样品 B1 和 B2 的 XRD 曲线；(b)样品 B1 和 B2 的 XRR 曲线；(c)样品 B1 的三维表面形态；(d)样品 B2 的三维表面形态，扫描范围为 300 nm × 300 nm。

图3：(a) 样品 B1 与 (b) 样品 B2 的 XPS O1s 光谱；α-Ga2O3 表面带电密度差异：(c) 含 Vo：(d) 不含 Vo。

图4：高温缓冲层对生长速率影响的示意图。

图5：(a) 不同生长温度下 Ga2O3 的 XRD 图谱；(b) (30-30)峰全宽半高值随生长温度的变化；(c) 不同生长温度下 Ga2O3 的透射光谱；(d) 不同 O/Ga 比条件下生长 Ga2O3 的 XRD 图谱； (e) (30-30) 峰全宽半高值随 O/Ga 比变化曲线；(f) 不同 O/Ga 比 Ga2O3 的透射光谱。原子扩散作用导致较小晶岛溶解并被较大晶岛吸收。

图6：(a)器件在暗态及 240 nm 光照下的典型 I-V 特性曲线，插图为器件结构示意图；(b) 在 10 V 偏压下器件不同波长响应度谱，(c) 探测度谱，插图均为对数坐标系； (d) 器件在 10 V 偏压与 240 nm 光照射下的 I-t 曲线；(e) 器件光响应测量配置示意图；(f) 10 V 偏压下器件光电流的时域响应，插图为 10 V 偏压下单脉冲光响应的放大图； (g) 10 V 偏压下 240 nm 光照条件下光电流与光强度的幂律拟合关系曲线；(h) 入射光波长为 240 nm 时，器件在不同光强下的 I-t 循环曲线。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0302209

文章由东北师范大学李炳生教授供稿。