【会员论文】四川师范大学&四川大学&上海微系统所：以界面工程在Si（111）衬底异质外延生长β氧化镓薄膜用于自供电紫外光电探测器

        作者感谢德国德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR）离子束中心（IBC）完成离子束分析工作。感谢北京卓立汉光仪器有限公司的赵牧原在光响应测量方面的协助。王茂博士感谢 Ilona Skorupa 在脉冲激光沉积方面的协助。本研究由国家自然科学基金委员会（NSFC）（12575311，12205212）和四川省自然科学基金（NSFSC）（24NSFSC1355）资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和优异的物理特性，在日盲深紫外（DUV）光电探测器领域具有巨大潜力。将 β-Ga₂O₃ 与硅 （Si） 集成，是实现光电子集成电路（OEICs）和降低器件成本的关键途径 。然而，在 Si 衬底上直接外延生长高质量的 β-Ga₂O₃ 薄膜面临巨大挑战，主要原因有，巨大的晶格失配（> 20%），这会导致外延薄膜中产生高密度的缺陷。在生长初期，Si 衬底表面容易形成一层非晶的二氧化硅（SiO_x）界面层，这会严重阻碍 Ga₂O₃ 的晶体成核和外延生长。因此，开发一种有效的界面工程策略，以克服上述挑战，是在 Si 衬底上实现高性能 Ga₂O₃ 器件的关键。

        β-Ga₂O₃ 在日盲紫外光探测和节能电子器件领域具有广阔前景。克服其在硅衬底上异质外延生长时的晶格失配与热失配问题，对实现互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容且经济高效的器件至关重要。本研究通过脉冲激光沉积技术，在 Si (111) 衬底上实现了 AlN 介导的 β-Ga₂O₃ 薄膜异质外延生长。研究人员系统研究了关键生长参数（特别是温度和氧气压力）对薄膜结晶度的影响，证明优化条件能有效减少缺陷并提高相纯度。全面的结构和化学分析表明，优化后的薄膜具有强烈的 Ga-O 键合、近化学计量比的成分、高可见光透射率以及陡峭的紫外吸收边。基于 β-Ga₂O₃/AlN/Si 薄膜的原型日盲光探测器展现出自供电光响应特性与优异的光电性能，有望应用于恶劣环境下的实时紫外监测。本研究不仅深化了对 β-Ga₂O₃ 的本质认识，更开辟了将其与主流硅技术集成的实用可扩展路径，为开发先进节能的光电子与电力电子器件奠定基础。

        ● 氮化铝缓冲层实现 β-Ga₂O₃ 薄膜在 Si (111) 衬底上的异质外延生长。

        ● 优化脉冲激光沉积参数获得高相纯度、低缺陷 β-Ga₂O₃ 薄膜。

        ● 强 Ga-O 键合与近化学计量比显著提升 β-Ga₂O₃ 薄膜光学品质。

        ● β-Ga₂O₃ 薄膜展现出锐利的紫外截止波长（≈270 nm）与高日盲选择性。

        ● 在 CMOS 兼容硅平台上制备出自供电型日盲光电探测器。

        本文展示了利用脉冲激光沉积（PLD）在硅（111）衬底上异质外延生长 β-Ga₂O₃ 薄膜的系统研究。通过策略性地引入 AlN（002）中间层，有效地缓解了 β-Ga₂O₃ 与硅（111）衬底之间的晶格失配，从而制备出了异质外延的 β-Ga₂O₃/AlN/Si（111）薄膜。研究人员发现，β-Ga₂O₃/AlN/Si（111）薄膜具有高度取向的异质外延生长特性，低角度晶界，其取向为（-201），且相对较低的均方根（RMS）值约为 3 nm。此外，证明了 β-Ga₂O₃/AlN/Si（111）薄膜的吸收边在 230 至 310 nm 之间，对应于可调的带隙能量为 4.6–4.8 eV。另外，基于 β-Ga₂O₃/AlN/Si（111）薄膜在 MSM 结构中制备了日盲紫外探测器，其具有自供电工作能力，并展示了与材料性能提升直接相关的合理光电响应特性。这项工作为在硅上异质外延生长 β-Ga₂O₃ 建立了解决方案，推进了具有结构完整性和适用于下一代功率电子器件及深紫外光子器件的 β-Ga₂O₃ 薄膜的低成本制造方法。

图1. β-Ga₂O₃/AlN/Si (111) 样品的结构特性表征。(a) 在 700–1000 °C 生长温度下、氧气压力固定为 0.04 mbar 时，β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD θ-2θ 图谱。(b) 作为生长温度函数的 (–201) 半高宽与晶粒尺寸关系。

图2. β-Ga₂O₃/AlN/Si(111) 样品的结构特性表征。(a)-(c) 分别在 800 ℃、850 ℃ 和900 ℃ 下，于不同氧压条件下生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD θ-2θ 衍射图谱。(d)- (f) 不同温度下沉积的 β-Ga₂O₃ 薄膜中 (–201) 反射峰半高宽随温度变化的演变及晶粒尺寸变化。

图3. (a) β-Ga₂O₃ 薄膜的 (111) 晶面摇摆曲线及原子力显微镜图像。(b) β-Ga₂O₃/AlN/Si(111) 样品的拉曼光谱。(c) β-Ga₂O₃/AlN/Si (111) 薄膜的 (401) 晶面极图。(d) 衬底 Si (111) 的极图。极图中的方位角 β 和极角 α（α = 90-x）分别在 0° 至 360° 和 15° 至 90° 范围内进行测量。

图4. (a) β-Ga₂O₃/Si (111) 以及生长于 Si (111) 上的 β-Ga₂O₃ (−201) 晶面的示意图。(b) β-Ga₂O₃ 的 (002) 晶面、AlN 的 (002) 晶面及 Si 的 (111) 晶面的原子排列示意图。(c) β-Ga₂O₃/AlN/Si (111) 结构及生长于 AlN (002) 晶面上的 β-Ga₂O₃ (002) 晶面示意图。

图5. (a) 在900 °C 及 0.02 mbar 氧气压力下生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜截面透射电子显微镜图像。(b) 选自 (a) 图中红圈标记区域的选区电子衍射 (SAED) 图样。(c) β-Ga₂O₃/AlN 界面截面高分辨透射电子显微镜图像。(d) β-Ga₂O₃ 薄膜的 FFT 衍射图。(e) AlN 缓冲层的 FFT 衍射图。

图6. 不同生长参数下 β-Ga₂O₃ 薄膜的 O1s XPS 谱高分辨率拟合结果：(a) 900 °C & 0.02 mbar；(b) 850 °C & 0.01 mbar；(c) 800 °C & 0.01 mbar。实验数据（黑圆点）与拟合结果（红实线）。不同生长参数下 β-Ga₂O₃ 薄膜的 Ga 3d XPS 谱高分辨率拟合结果：(d) 900 °C & 0.02 mbar； (e) 850 °C & 0.01 mbar；(f) 800 °C & 0.01 mbar。实验数据（黑圆点）与拟合结果（黑实线）。

图7. (a) 吸收光谱随波长的变化曲线。(b) β-Ga₂O₃/AlN/Si (111) 薄膜的 (αhν)² 与 hν 关系图。(c) β-Ga₂O₃ 基 MSM 结构 SBPD 示意图。(d) 器件在 0 V 和 5 V 偏压下的光谱响应曲线。(e) 暗态零偏压下 MSM 型 β-Ga₂O₃/AlN/Si 结构能带示意图。(f) 225 nm 深紫外照射下零偏压 MSM 型 β-Ga₂O₃/AlN/Si 结构能带示意图。(g) 器件在 0 V 与 5 V 偏压下的有效量子效率。(h) 器件随时间变化的光响应曲线。(i) 5 V 偏压下器件的上升与衰减时间。(j) 器件在不同偏压下的光响应曲线。(h) 器件的时变光响应曲线。(i) 器件在 5 V 偏压下的上升与衰减时间曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.164933