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【国内论文】中科院长春光机所：基于c-Al₂O₃衬底上无相位稳定剂的MOCVD生长α-Ga₂O₃薄膜自供电超高性能远UVC探测器

日期：2025-10-20阅读：12

由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Ultrahigh Performance of Self-Powered Far-UVC Detector Based on MOCVD-Grown α-Ga₂O₃ Thin Film on c-Al₂O₃ Without Any Phase Stabilizer（基于 c-Al₂O₃衬底上无相位稳定剂的MOCVD生长 α-Ga₂O₃薄膜的自供电远 UVC 探测器实现超高性能）的文章。

项目支持

本工作得到国家自然科学基金（62574203、12204474、12304111和12304112）的支持。

背景

α-氧化镓（α-Ga₂O₃）因其拥有约 5.4-5.6 eV 的超宽禁带，是制造远UVC光电探测器的天然理想材料。金属有机化学气相沉积（MOCVD）是一种先进的外延技术，具有可精确控制、高均匀性、适合商业化量产等优点。然而，目前通过 MOCVD 技术在最常用的 c 面蓝宝石（c−Al₂O₃）上直接外延生长高质量的纯相 α-Ga₂O₃ 极其困难，因为 α 相是亚稳相，容易转变为更稳定的 β 相。已有的解决方案通常需要采用特殊取向的衬底，或者在生长过程中额外引入相稳定剂，但这会增加工艺的复杂性和成本，并可能影响薄膜的质量。因此，开发一种在 c 面蓝宝石上无需任何相稳定剂即可直接生长高质量纯相 α-Ga₂O₃ 的 MOCVD 工艺，对于推动高性能远 UVC 探测器的发展至关重要。

主要内容

具有超宽带隙的 α-Ga₂O₃ 在远 UVC 光探测领域具有显著的应用潜力。目前通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术外延生长 α-Ga₂O₃ 薄膜的方法，均需采用特定取向的蓝宝石衬底，或额外引入相稳定剂，这不仅增加了制备复杂性，还影响薄膜的光电性能及器件表现。本研究首次采用 MOCVD 技术，在 c-Al₂O₃ 衬底上成功生长出高质量的纯相 α-Ga₂O₃ 薄膜，且无需任何相稳定剂。厚度为 120 nm 的 α-Ga₂O₃ 薄膜具有 0.05° 的窄 X 射线摇摆曲线半高全宽、0.429 nm 的微小均方根粗糙度以及 5.4 eV 的超宽带隙，这是迄今为止采用 MOCVD 方法制备的 α-Ga₂O₃ 薄膜所取得的最佳结果。利用这种 α-Ga₂O₃ 薄膜，成功开发出一种自供电的远 UVC Pt/α-Ga₂O₃/Al 平面肖特基光电二极管。该器件在 222 nm 波长下展现出 8.4 mA/W 的显著响应度，0.8 μs 的超快响应时间，以及在室温零电压条件下创纪录的远 UVC 至近 UVC 抑制比（R_{222 nm}/R_{255 nm}）达 3.42×10²。此外，该探测器具有出色的工作稳定性，并能承受高达 200℃ 的高温。本研究证明了通过金属有机化学气相沉积法制备高质量纯相 α-Ga₂O₃ 薄膜的可行途径，为开发高性能自供电远 UVC 探测器提供了宝贵见解。

研究亮点

● 首次在 c-Al₂O₃ 衬底上通过 MOCVD 生长出无相稳定剂的纯相 α-Ga₂O₃。

● MOCVD 生长 α-Ga₂O₃ 薄膜达到顶尖晶体质量。

● 基于 α-Ga₂O₃ 的高性能自供电远 UVC 光探测器。

● 200℃ 工作稳定性验证了高温应用可行性。

总结

首次采用金属有机化学气相沉积技术，在 c 面蓝宝石衬底上成功沉积出高质量 α-Ga₂O₃ 薄膜，且无需任何相位稳定剂。得益于 α-Ga₂O₃ 与 c-Al₂O₃ 之间较小的晶格失配，以及对生长条件的精确控制，获得了具有高结晶质量和低表面粗糙度的 α-Ga₂O₃ 外延薄膜。α-Ga₂O₃ (0006) 晶面的 XRD 摇摆曲线 FWHM 值可达约 0.05°，达到 MOCVD 法生长 α-Ga₂O₃ 薄膜的最佳值。此外，基于该 α-Ga₂O₃ 薄膜制备的自供电远 UVC 光探测器，在 0V 电压下展现出高灵敏度、超快响应速度及远 UVC 与近 UVC 的高抑制比。本器件卓越的远紫外光检测性能归功于 α-Ga₂O₃ 薄膜的高晶体质量、超宽带隙特性以及优化的器件结构。同时，该器件展现出优异的高温耐受性和工作稳定性，凸显了 MOCVD 生长 α-Ga₂O₃ 基远紫外光探测器巨大的应用潜力。

图1. 在 c 面蓝宝石衬底上生长 Ga₂O₃ 的 XRD 图谱，分别对应不同 (a) 生长温度、(b) O/Ga 摩尔比和 (c) 反应室压力条件。

图2. (a) 表面及截面扫描电子显微镜图像，(b) 原子力显微镜图像，(c) X 射线衍射 θ-2θ 扫描图（对数强度标度），(d) (0006) 摇摆曲线，(e) (αhυ)² 与 hυ 关系图，以及 (f) 沉积于 c-Al₂O₃ 衬底上的 α-Ga₂O₃ 薄膜拉曼光谱。

图3. (a) Pt/α-Ga₂O₃/Al 光探测器结构示意图。(b) 器件在暗态及 222 nm 光照射下的 I-V 特性曲线。(c) 零偏压下不同强度 222 nm 光照射的 I-t 曲线。(d) 光电流随光强变化曲线及对应的幂律拟合线。(e) 自供电光探测器在不同波长下的响应度。(f) 单周期瞬态响应曲线。

图4. (a) 暗态下的 I-V 特性曲线；(b) 不同温度下 0 V 偏压条件下的时变电流响应；(c) 响应度、抑制比与响应时间随温度变化的关系；(d) 器件经 1000 次循环后的 I-t 曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.183842