【会员论文】天津理工大学赵金石教授团队:低温HVPE法MgO异质衬底β-Ga₂O₃薄膜制备及其日盲紫外成像探测器阵列应用研究

        本工作得到以下基金资助：天津市重大科技专项（项目编号 18ZXJMTG00230）、天津市重点研发计划（项目编号 24YFXTHZ00200 和24YFXTHZ00210）以及天津市企业科技特派员项目（项目编号25YDTPJC00350 和 25YDTPJC00310）。

        宽禁带半导体材料的迅猛发展为高性能光电探测技术的革新提供了关键支撑，β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体材料（Eg≈4.9 eV）、高达8 MV/cm的临界击穿电场、优异的深紫外透光特性及化学稳定性，已成为深紫外光电探测领域的核心候选材料。其独特的电子能带结构赋予材料在深紫外波段（UVC，200–280 nm）的高响应度与窄光谱选择性，可有效抑制可见光背景干扰，显著克服传统硅基探测器响应光谱宽、暗电流噪声高的技术瓶颈。然而，传统 β-Ga₂O₃ 外延生长技术通常需要高温生长环境，易引发晶体缺陷密度升高、晶格失配效应加剧等问题，严重制约器件光电性能的提升与规模化制备的产业化进程。我们氢化物气相外延（HVPE）低温生长技术的突破为该瓶颈问题提供了有效解决方案，其通过 ~550℃ 的低温气相沉积过程，可实现对薄膜组分、厚度的精准调控，同时兼具生长速率高（可达2 μm/h）、制备成本可控、兼容异质集成的技术优势，与 β-Ga₂O₃ 的材料本征特性形成良好适配性。基于二者的协同增效机制，开发高性能 β-Ga₂O₃ 基光电探测器及图像识别阵列已成为宽禁带半导体领域的研究热点与前沿方向。此类器件不仅可实现深紫外波段的高灵敏度、快速响应探测，还能通过阵列化集成满足安防监控、航空航天探测、工业紫外无损检测等领域对高精度紫外图像识别的应用需求，为宽禁带半导体光电技术的产业化落地与规模化应用提供关键技术支撑。

        本研究采用卤化物气相外延（HVPE）技术，在 MgO（100）衬底上成功异质外延生长高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜，并基于该薄膜制备高灵敏度太阳盲紫外光电探测器（SBUVPD）及 5×4 阵列器件。在优化生长温度 550℃下，获得（100）取向 β-Ga₂O₃ 薄膜，其平面内外延关系为 β-Ga₂O₃ <02(-)1> // MgO <010>，表面粗糙度为9 nm。基于该薄膜的 MSM 型 SBUVPD 表现出优异光电性能：暗电流低至 8.43 pA，光暗电流比达 1.11×10⁶，响应度为 222.38 A/W，探测率高达 4.4×10¹⁵ Jones，外量子效率（EQE）达 1.1×10³%，且对 254 nm 紫外光具有快速响应特性。通过光刻工艺制备的 5×4 SBUVPD 阵列，具备高分辨率、响应率均匀性好（偏差极小）及低颜色失真的成像能力，适用于光电成像应用。

        本研究通过调控生长区域温度，采用卤化物气相外延（HVPE）技术在氧化镁 MgO（100）衬底上成功实现了 β-Ga₂O₃ 薄膜的高质量异质外延生长。基于 550 ℃ 下制备的 β-Ga₂O₃（100）/MgO（100）薄膜构建的金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器，在日盲紫外（SBUV）探测领域展现出优异的综合性能。在此基础上，通过光刻工艺进一步制备出 5×4 日盲紫外光电探测器阵列，该阵列具有均匀的光响应特性，为相关成像应用提供了可靠的器件支撑。本研究不仅为日盲紫外成像阵列的设计与优化提供了有价值的参考，也为推动宽带隙半导体（尤其是 β-Ga₂O₃）在光电成像领域的应用进程奠定了基础。

图1.不同温度下在MgO（100）衬底上沉积的β-Ga₂O₃薄膜的 XRD 图谱：（a）θ/2θ 扫描，（b）β-Ga₂O₃（400）衍射峰的半高宽，以及（c）β-Ga₂O₃（400）的摇摆曲线。（d）在 550℃下生长的薄膜MgO {222}和β-Ga₂O₃ {002}的面内XRD-φ扫描。（e）MgO（100）与β-Ga₂O₃（100）之间的原子排列及外延关系的示意图。

图2. 不同温度下生长的β-Ga₂O₃横截面和表面（图中插图所示）的扫描电子显微镜图像：（a）700℃；（b）650℃；（c）600℃；（d）550℃；（e）500℃。（f）随温度变化β-Ga₂O₃薄膜的表面粗糙度。在 550℃下沉积的β-Ga₂O₃薄膜的透射电子显微镜图像：（g）低分辨率透射电子显微镜图像。（h-k）薄膜（j），衬底及其界面（h）的高分辨率透射电子显微镜图像，以及相应界面（i）和薄膜（k）的电子衍射花样。

图3. 在 550℃下生长的β-Ga₂O₃薄膜的 XPS 光谱：（a）全谱，（b）Ga 2p 谱，（c）Ga 3d 谱，（d）O 1s 谱。

图4. 采用 550℃生长的β-Ga₂O₃薄膜所制备的光电探测器：（a）MSM 型光电探测器的原理图。（b）吸收光谱；图中插图展示了通过Tauc-plot推算出的相应光学带隙。（c）在 10V 偏压电压下的光谱响应。（d）在黑暗状态和 254nm 光照下的I-V 特性曲线。（e）在 254nm 光照下进行六次开/关循环后的时间响应曲线。（f）单个周期内的瞬态电流变化过程。

图 5.（a）光电探测器阵列实物图；（b）光电流分布图；以及（c）阵列内所有像素的暗电流和光电流；图中插图部分放大显示了（a）的细节部分。（d）SBUV 成像系统的原理图，以及（e）、（f）在 254nm光照下“U”“V”图案的相应成像结果。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.185150