南京邮电大学：mist-CVD生长Sn:Ga₂O₃的方法进行了深入研究 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

雾化化学气相沉积（mist-CVD）技术是一种被广泛应用于Ga2O3薄膜生长的方法。这一技术的突出特点包括无需真空、低成本和易操作，同时由于采用有机镓源与氧源反应沉积Ga2O3，与主流的金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术具有强大的兼容性，因而备受瞩目，并在学术界得到广泛研究。尽管mist-CVD生长Ga2O3薄膜的方法已有所报道，但有意掺杂的Ga2O3薄膜的相关研究相对有限，而且大多数报道的Ga2O3薄膜主要集中在模拟器件方面，对于制备光电探测器的研究相对较少。

南京邮电大学唐为华教授课题组通过采用mist-CVD技术，在α-Al2O3衬底上成功沉积了一层锡掺杂氧化镓（Sn:Ga2O3）薄膜。Mist-CVD设备是自制的系统（如图1所示），包括管式炉和2.4 MHz超声雾化器，利用空气作为载气，将雾化的乙酰丙酮镓水溶液从雾化器中转移至衬底上。薄膜的吸收光谱显示出比常见的β-Ga2O3更宽的禁带宽度，X射线衍射（XRD）结果表明该薄膜中同时存在α-Ga2O3和β-Ga2O3晶相，扫描电镜显微镜（SEM）结果显示在30分钟内在衬底表面沉积了125 nm的氧化镓（表征结果如图2所示）。表征完成后，通过机械转移的方法将电极转移到薄膜上，我们构建了金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器。在-6 V的偏压下，光电探测器表现出较好的性能，包括低至10 pA的暗电流和2.96 μA的光电流。其光电流与暗电流的比值高达2.96×105，外部量子效率达到245.79％，光电响应度为0.72 A/W（具体数据如图3所示）。与采用相同技术生长但没有掺杂的氧化镓薄膜（UID Ga2O3）相比，光电导和响应度提升了103。这一性能提升归因于掺杂锡引入的深能级施主杂质能级，光照作用下，杂质能级中的载流子被激活，从而增大了光电流（机理解释如图4所示）。

图1 自制mist-CVD系统示意图。

图2 表征结果，(a) Sn:Ga2O3和(b) UID Ga2O3薄膜的UV–vis吸收光谱。(c) Sn:Ga2O3和(d) UID Ga2O3薄膜的XRD图谱。(e) Sn: Ga2O3的表面和(f)截面SEM照片，(g) UID Ga2O3薄膜的表面和(h)截面SEM照片。

图3 光电性能结果 (a) 光电响应谱，(b) 器件在不同光照强度下的暗电流和照射下的I-V特性曲线。(c) 光电流与光强之间的功能关系。(d) R与EQE与光强的关系。

图4 机理解释 (a) Sn:Ga2O3 和 (b) 无掺杂的 Ga2O3 MSM 光电探测器的工作机制。(c) 光电探测器的电导变化。(d) 光电导增益曲线与入射光强度的关系。

本研究揭示了通过成本低廉的mist-CVD生长方法制备Sn:Ga2O3，并将其应用于深紫外光探测器的制备的可行性。通过引入锡掺杂，我们成功提升了器件对UV-C的探测能力。此外，我们对mist-CVD生长Sn:Ga2O3的方法进行了深入研究，探讨了Sn掺杂对于Ga2O3光电导性能提升的物理机理，为掺杂工程提供了新的物理指导。这项研究为深紫外光探测器技术的推进提供了实质性的贡献，为未来在光电子器件领域的发展打开了新的方向。工作发表于ACS Applied Electronic Materials，第一作者为博士生姚苏昊，通讯作者为刘增副教授，张茂林博士与唐为华教授。