【国内论文】西安邮电大学：原子层沉积法制备的非晶和晶体Ga₂O₃薄膜中生长周期数对日盲光响应的影响

        日盲区紫外光被地球大气层中的臭氧层强吸收，导致地表该波段的背景噪音极低。使得 SBUV 探测器在高灵敏度应用中至关重要，如导弹羽流探测、电网电晕放电监测、火灾预警以及保密通信。氧化镓（Ga₂O₃）具有超宽带隙，天然匹配日盲波段，无需像 AlGaN 或 MgZnO 进行复杂的合金组分调节。还具有优异的耐高温、耐高压、抗辐射和化学稳定性。晶态氧化镓（β-Ga₂O₃）结构有序，载流子迁移率高，扩散长度长，适合制备高性能、高响应速度的器件。但制备条件苛刻，需要晶格匹配的昂贵衬底，难以在柔性或大面积基底上应用。非晶态氧化镓（a-Ga₂O₃）制备工艺简单、温度要求低，成本低，且对衬底无晶格匹配要求，极易与柔性衬底兼容。但结构无序导致存在大量缺陷，这些缺陷虽然能提供高光电导增益，但也导致载流子迁移率极低、扩散长度短，且响应速度通常较慢。无论是非晶还是晶态，薄膜厚度都是影响光吸收、载流子输运和器件性能的关键参数。虽然已有关于 β-Ga₂O₃ 膜厚影响的研究，但对于非晶氧化镓的厚度依赖性行为，以及在相同厚度下非晶与晶态器件性能的直接对比，此前尚无系统报道。本研究通过原子层沉积技术，在蓝宝石衬底上沉积了不同厚度的非晶态和晶态 Ga₂O₃ 薄膜，用于制备金属-半导体-金属（MSM）结构的日盲光探测器。关键发现是：在超过临界厚度后，非晶态 Ga₂O₃ 探测器中的光电流/响应度呈现饱和现象，这与晶态 Ga₂O₃ 在研究范围内表现出的单调递增趋势形成鲜明对比。此外，本研究通过直接平行对比相同厚度的非晶态与晶态 Ga₂O₃ 探测器，揭示了材料相态与薄膜厚度对器件性能的显著影响，为 Ga₂O₃ 基光探测器的工程化设计提供了重要指导。

        本研究通过原子层沉积技术，在不同生长周期（1000–7000次）下制备非晶态 Ga₂O₃ 与晶体薄膜，并考察其光探测性能。结构有序性的根本差异，晶体呈现长程有序而非晶态呈现短程有序，决定了其截然不同的光电行为。对于非晶 Ga₂O₃ 器件，当厚度超过特定值时，光电流/响应度趋于饱和。该限制由于大量陷阱态导致的载流子迁移率低下与扩散长度缩短。相反，晶体 Ga₂O₃ 光探测器随薄膜增厚呈现响应度单调增长，其长程有序结构有效延长载流子扩散长度并提升电荷收集效率。因此，对于较薄薄膜，非晶薄膜中载流子捕获产生的高光导增益使非晶 Ga₂O₃ 光探测器具有更高响应度。然而对于较厚的膜，晶体 Ga₂O₃ 光探测器的光响应度和响应速度均优于非晶 Ga₂O₃ 光探测器。这些优势可归因于更深的吸收深度和更长的载流子扩散长度。本研究阐明了材料相态（非晶态与晶态）和薄膜厚度如何共同影响 Ga₂O₃ 光探测器的性能。所得结果为 Ga₂O₃ 光探测器的设计提供了宝贵见解。

        • 首次观测到非晶态 Ga₂O₃ 薄膜随厚度增加出现光响应饱和现象。

        • 晶态 Ga₂O₃ 光电探测器的光响应度随生长周期数呈单调递增趋势。

        • 在广泛的原子层沉积周期范围内，对非晶态与晶态 Ga₂O₃ 光电探测器进行了并行对比分析。

        本研究系统阐明了通过原子层沉积法制备的非晶态与晶态 Ga₂O₃ 光探测器在厚度依赖性光响应方面的显著差异。核心发现在于两者行为存在根本性差异：非晶态 Ga₂O₃ 的光电流/响应度在临界厚度（约 130 nm）后趋于饱和，而晶态 Ga₂O₃ 探测器在研究范围内（最高达约 300 nm）的光电流/响应度呈单调递增趋势。这种差异源于非晶相固有的结构无序性。非晶态 Ga₂O₃ 中大量陷阱态导致的低迁移率与短载流子扩散长度，限制了电极的电荷收集效率，从而引发光电流/响应度的饱和。相反，晶态 Ga₂O₃ 的长程有序结构促进了更高迁移率、更长载流子扩散长度及更优电荷收集效率，使性能随厚度增加持续提升。本研究还对相同膜厚度的非晶态与晶态 Ga₂O₃ 光电探测器进行了平行对比。当膜层较薄时，由于非晶态与晶态在吸收系数和光导增益上的显著差异，经 500℃ 退火处理后的光响应度高于 900℃ 退火处理后的值。然而当薄膜较厚时，晶态 Ga₂O₃ 光探测器的光响应度和响应速度均优于非晶态 Ga₂O₃ 光探测器。这些发现揭示了关键的设计准则，非晶态 Ga₂O₃ 薄膜适用于成本效益高的低速应用，而晶态 Ga₂O₃ 最适合制造高响应度与高速器件，凸显了材料相态在器件工程中的关键作用。

        本研究得到国家自然科学基金（62304178）和陕西省自然科学基础研究专项（2022JQ-684）的资助。

图1. 蓝宝石衬底上生长 Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 光谱：(a) Ga 3d 能级；(b) O 1s 能级。Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 衍射图谱：(a) 500℃ 退火处理；(b) 900℃ 退火处理。

图2. 不同厚度Ga₂O₃薄膜在 (a) 500℃ (b) 900℃ 退火后的 (αhν)² 与 hν 谱；(c) 500℃ (d) 900℃ 退火 Ga₂O₃ 薄膜的提取乌尔巴赫能 Eu。

图3. 不同循环次数下非晶态 Ga₂O₃ 光电二极管的 I-V 曲线：（a）暗光环境；（b）254 nm 紫外照射环境；不同循环次数下晶态 Ga₂O₃ 光电二极管的 I-V 曲线：（c）暗光环境；（d）254 nm 紫外照射环境。

图4. 非晶态（500 ℃）与晶态（900 ℃）Ga₂O₃光探测器不同参数随 ALD 循环次数变化的对比。（a）暗电流（b）光电流（c）PDCR（d）响应度（e）外部量子效率（f）比探测率。

图5. 在 (a) 500℃ 和 (b) 900℃ 退火处理后样品的多周期时间依赖性光响应特性；在 10V 偏压下，(c) 500℃ 和 (d) 900℃ 退火处理后不同周期光响应曲线的部分放大图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mseb.2025.119125