【国内论文】内蒙古工业大学：通过LPCVD与PECVD协同工艺制备β-Ga₂O₃薄膜，用于高灵敏、低剂量直接X射线探测

        由内蒙古工业大学的研究团队在学术期刊 Nanomaterials 发布了一篇名为 Synergistic LPCVD and PECVD Growth of β-Ga₂O₃ Thin Films for High-Sensitivity and Low-Dose Direct X-Ray Detection（通过LPCVD与PECVD协同工艺制备 β-Ga₂O₃ 薄膜，用于高灵敏、低剂量直接X射线探测）的文章。

        本研究获得中国大学生创新创业训练计划项目（项目编号 S202410128015，内蒙古自治区级）；国家自然科学基金（项目编号 12264035、11864029、62264013 和 62364014）；内蒙古自治区自然科学基金（项目编号 2024LHMS01013）；内蒙古自治区高校青年科技英才支持计划（项目编号 NJYT24065）项目的资助。

        近年来，宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）因其高密度、优异的热稳定性和化学稳定性、显著的抗辐照能力以及固有的刚性结构，而成为探索高性能 X 射线探测器的一种新材料选择。此外，Ga₂O₃ 的 X 射线吸收系数远高于金刚石，可与硅和钙钛矿材料相媲美，并且对可见光干扰不敏感，这使其在 X 射线探测领域具有显著优势。早期关于非故意掺杂（UID）β- Ga₂O₃ 单晶的研究已经验证了其在 X 射线探测中的器件可行性，但由于存在大量氧空位（V_O），其时间响应较慢。通过 Fe 掺杂可以补偿施主型缺陷，从而提高电阻率并加快响应速度；Mg 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶则在提升电阻率、抑制 V_O 的同时，使其灵敏度达到非晶硒（a-Se）的 16 倍；Al 合金化扩大了 β-Ga₂O₃ 单晶的带隙，降低了本征载流子浓度，从而实现高灵敏度。因此，故意掺杂（如 Fe、Mg、Al）能够通过缺陷抑制与电阻率/能带调控的协同作用，有效提升性能。尽管基于 Ga₂O₃ 单晶的 X 射线探测器已经取得了重要进展，但由于大尺寸高质量单晶的生长困难，以及缺乏有效的 P 型掺杂，其在功能模块集成和大规模应用方面仍面临一定挑战。

        超宽禁带 β-Ga₂O₃ 被认为是一种有前景的低成本替代材料，可用于取代传统直接 X 射线探测材料，这些传统材料常受制于制备复杂、不稳定或响应迟缓等问题。本文对比研究了采用低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在 c-蓝宝石衬底上外延的 β-Ga₂O₃薄膜，建立了生长动力学、微结构、缺陷分布与 X 射线探测性能之间的定量联系。LPCVD 薄膜（厚度约 0.289 μm）表现为层状并合晶粒、更窄的摇摆曲线（FWHM = 1.840°），以及由深能级氧空位辅助的高光电导增益，在 20 V 下实现了 1.02 × 10⁵ μC Gy_air⁻¹ cm⁻² 的高灵敏度，以及 3.539 × 10⁵ μC Gy_air⁻¹ cm⁻² μm⁻¹ 的厚度归一化灵敏度。相比之下，PECVD 薄膜（厚度约 1.57 μm）呈现致密柱状生长、更接近化学计量比的 O/Ga 比值，以及浅陷阱占主导，带来更低的暗电流、更优的剂量探测下限（30.13 vs. 57.07 nGy_air s⁻¹）、更快的恢复速度，以及信噪比随偏压单调提升的稳定特性。XPS 和双指数瞬态分析结果进一步证实，LPCVD 薄膜表现为深陷阱主导的持续光电导效应，而 PECVD 薄膜则由浅陷阱效应调控。由此形成了高增益与低噪声的互补范式，阐明了缺陷与增益之间的权衡关系，并提出通过陷阱与电场管理来同时实现高灵敏度、低剂量极限和时间稳定性的 β-Ga₂O₃ 薄膜 X 射线探测器设计路径。

        本文采用 LPCVD 和 PECVD 技术在 c 面蓝宝石衬底上外延生长了 β-Ga₂O₃ 薄膜，并制备了 MSM 型 X 射线探测器。研究表明，LPCVD 生长的薄膜较薄（289 nm），其较慢的表面动力学过程有利于横向晶粒并合并减小马赛克倾斜（表现为更窄的摇摆曲线）；而 PECVD 的等离子体激活则促进了快速的多点成核和纵向柱状生长，虽增加了倾斜分布，但提升了厚度可扩展性和薄膜致密性。

图 1.（a）β-Ga₂O₃ 薄膜生长的实验装置，（b）其示意图，以及（c）制备的 MSM 型探测器的物理图像。

图 2. SEM 表面形貌 (a) LPCVD 横截面，(b) PECVD 横截面。

图 3.（a）LPCVD 和 PECVD 生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的透射率光谱和计算的光学带隙。（b）通过 LPCVD 和 PECVD 生长的薄膜的光致发光激发光谱。（c）X 射线衍射光谱。（d）β-Ga₂O₃ 薄膜（−201）晶面的摇摆曲线。

图 4. β-Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 光谱。（a）LPCVD 生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 核心级光谱。（b）PECVD 生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 核心级光谱。（c）Ga 3d 核心级光谱的比较

图 5. 检测器在不同管电流下 X 射线照射下的 I-V 特性曲线：（a）LPCVD;（b） PECVD;（c）探测器在暗状态下和室温下 X 射线照射下的对数 I-V 特性;（d）由 LPCVD 和 PECVD 在 20 V 偏置下制造的 β-Ga₂O₃ MSM X 射线探测器的剂量率依赖性光电流。

DOI：

doi.org/10.3390/nano15171360