【会员论文】APR丨东北师范大学宽带隙半导体外延与器件研究团队：用于深紫外光电探测的 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃（x=0‑0.77）合金薄膜的 MOCVD 生长

        由东北师范大学宽带隙半导体外延与器件研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为 MOCVD growth of (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃（x=0‑0.77）alloyed films for deep UV photodetection applications（用于深紫外光电探测的 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃（x=0‑0.77）合金薄膜的 MOCVD 生长）的文章。

        紫外光分为 UVA、UVB、UVC、VUV（真空紫外）波段，不同波段在工业分析、生化检测、医疗灭菌、空间通信与天文探测等领域具备重要应用，实现多波段紫外精准探测是光电领域重要研究方向。当前商用紫外探测器主要为光电倍增管（PMT）与硅基光电二极管，PMT 体积大、需要高压驱动、功耗高；硅基器件本征带隙仅 1.12 eV，必须依靠复杂滤光系统抑制背景噪声，同时受工作温度影响大，难以实现真正的日盲-深紫外探测。宽禁带半导体是解决该难题的重要方向，其中 β‑Ga₂O₃ 凭借其 4.9 eV 的带隙、高紫外吸收系数、高击穿场强成为日盲紫外探测热点材料。通过合金化是实现带隙调控是实现和多波段紫外探测的有效手段，(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 三元合金带隙可覆盖 UVC 至 VUV 波段。但高 Al 组分下薄膜易发生相变与相分离，至晶体质量劣化；现有研究大多局限于中低 现有研究多局限于中低 Al 组分，缺少对高 Al 组分下材料相变、氧空位 V_O 缺陷演化及其与器件性能之间关联关系的系统研究，从而制约 了 VUV 高性能探测器的发展。

        该团队通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在 c 面蓝宝石衬底上生长 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 合金薄膜，通过调节 Al组分（x≈0-0.77）实现 4.95-6.26 eV 的带隙连续可调。所制备金属-半导体-金属（MSM）光电探测器光谱响应截止波长随带隙增大从 250 nm 蓝移至 198 nm。X 射线衍射（XRD）结果表明，随着 Al 组分升高，薄膜晶体结构由单斜单相（x≤0.57）转变为双相共存（x=0.67-0.77）；Al 组分为 0.20 时薄膜获得最优表面形貌与结晶质量。结合价带 X 射线光电子能谱（XPS）与带隙分析，Al 的引入使导带底相对于费米能级向上移动，与光学带隙增大、光谱响应边蓝移现象一致。氧空位（V_O）分析表明，随 Al 组分增加，V_O 缺陷浓度先降低后升高；该团队阐释了 V_O 演化机制，讨论其与晶格应变、相变、薄膜结晶质量的内在关联。在 10 V 偏压下，MSM 探测器综合性能优异：暗电流低于 10 fA，比探测率达到 6.58×10¹⁴ Jones，紫外-可见光抑制比高达 9.07×10⁷。高 Al 组分（x=0.77）器件在 185 nm 光照下光暗电流比约为 1.18×10²，证明其在深紫外-真空紫外波段具备良好探测灵敏度与抗干扰能力。

        ①该团队成功通过 MOCVD 技术在 c 面蓝宝石衬底上生长了 Al 组分高达 0.77 的高质量 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 合金薄膜，实现了带隙在 4.95 eV 至 6.26 eV 范围内的连续可调

        ②该团队阐明随 Al 组分升高，薄膜由单斜 β 单相向 β/γ 双相结构转变的临界组分；揭示氧空位 V_O 浓度随 Al 组分先降后升的变化规律，建立讨论了晶格应变、相变、结晶质量与氧空位缺陷之间内在联系。

        ③通过 XPS 分析，该团队揭示了 Al 合金化导致导带底（CBM）上移，从而增大了带隙。

        ④该团队制备的 MSM 结构光电探测器，响应截止波长蓝移至 198 nm；器件获得极低暗电流、超高比探测率和紫外‑可见光抑制比；高 Al 组分器件在 185 nm VUV 光照下仍保持可观光暗电流比，验证了 VUV 探测潜力。

        该团队通过 MOCVD 在 c 面蓝宝石衬底上成功制备了 Al 组分连续可调（x=0-0.77）的 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜，并系统研究了这些薄膜的材料特性以及 MSM 深紫外光电探测器的光电性能。实验结果表明，Al 合金化能够精确调控材料的能带结构，带隙从 4.95 eV 连续展宽至 6.26 eV。器件光谱响应范围从 250 nm 扩展至 198 nm 及更短波长，覆盖了整个日盲深紫外区域，并进一步延伸至真空紫外区域。随着 Al 组分的增加，薄膜的晶体结构逐渐从单斜 β 相演变为 β/γ 两相共存结构，同时伴随着表面形貌和晶体质量的协同演变。XPS 分析揭示了 V_O 浓度随 Al 组分的变化规律，以及 Al³⁺ 离子优先替代八面体位置上的 Ga³⁺ 和 Ga⁺ 离子的现象。所制备的光电探测器在 10 V 偏压下表现出优异的综合性能：暗电流低于 10 fA，比探测率达到 6.58×10¹⁴ Jones，紫外-可见抑制比高达 9.07×10⁷。即使在较高 Al 组分（x=0.77）下，器件在 185 nm 光照下仍能保持约 1.18×10² 的光电流与暗电流之比，并具有较快的响应速度。本工作从材料制备、结构表征到器件性能评估进行了系统研究，为开发基于 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 体系的高性能、宽带紫外光电探测器奠定了坚实的材料和设计基础。

        该工作得到国家自然科学基金（Grant Nos. 62274027、62404039）、松山湖材料实验室开放研究基金（Grant No. 2023SLABFK03）、111 引智基地（Grant No. B25030）、吉林省相关项目（Grant No. 20220502002 GH）、吉林省教育厅科研项目（Grant No. JJKH20250304BS）资助。

图 1. (a) 不同 Al 组分 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜的 XPS 全谱；薄膜的 Al 2p 与 Ga 3d 芯能级谱：(b) x=0, (c) x=0.20, (d) x=0.37, (e) x=0.47, (f) x=0.57, (g) x=0.67, (h) x=0.72, 和 (i) x=0.77。

图 2. (a) 不同 Al 组分 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱；(b) (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜 (‑201) 衍射峰放大视图与归一化曲线；(c) 晶面间距 d 随 Al 组分的变化；(d) 半高宽（FWHM）与晶粒尺寸随 Al 组分的变化

图 3. (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜的 AFM 图像：(a) x=0、(b) x=0.20、(c) x=0.37、(d) x=0.47、(e) x=0.57、(f) x=0.67、(g) x=0.72、(h) x=0.77

图 4. (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜的 XPS O 1s 芯能级谱：(a) x=0、(b) x=0.20、(c) x=0.37、(d) x=0.47、(e) x=0.57、(f) x=0.67、(g) x=0.72、(h) x=0.77

图 5. (a) (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜紫外‑可见透射光谱随 Al 组分变化；(b) 用于带隙确定的 (αhν)² 对 hν 的 Tauc 图

图 6. 由 XPS O 1s 芯能级谱得到的 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜带隙：(a) x=0、(b) x=0.20、(c) x=0.37、(d) x=0.47、(e) x=0.57、(f) x=0.67、(g) x=0.72、(h) x=0.77；(i) 带隙随 Al 组分变化的拟合曲线

图 7. (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜 XPS 价带谱：(a) x=0、(b) x=0.20、(c) x=0.37、(d) x=0.47、(e) x=0.57、(f) x=0.67、(g) x=0.72、(h) x=0.77；(i) 带有误差棒的 VBM、CBM、Eg、E_F 相对位置示意图；(j) VBM、CBM 随 Al 组分的演化曲线（包含误差棒）

图 8. (a) MSM 结构 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 光电探测器示意图；(b) 不同 Al 组分光电探测器的响应度曲线（插图：对数坐标下对应响应度）；(c) 不同 Al 组分光电探测器的 I-V 特性；(d) 光电探测器响应度与探测率随 Al 组分变化曲线；(e)、(f) x=0.20 的 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 光电探测器的 I-T 特性与超过 3 个月的长期存储稳定性

图 9. 185 nm 光照条件下 x=0.77 的 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 光电探测器性能表征：(a) I‑V 特性曲线；(b) I‑T 特性曲线；(c) 上升时间 tᵣ 和衰减时间 t_d；(d) 器件开关可重复性测试

DOI：

10.1063/5.0324628