【会员论文】CEJ | 表面台阶引导 β-Ga₂O₃定向生长:西电张玉明教授, 宋庆文教授联合西安工程大学、西安理工大学团队推进高温深紫外阵列探测

日期：2026-07-29阅读：98

由西安电子科技大学张玉明教授，宋庆文教授联合西安工程大学李连碧教授和西安理工大学胡继超教授的研究团队在学术期刊Chemical Engineering Journal发表了一篇名为Surface-Step-Controlled In-Plane Orientation of β-Ga₂O₃ Films on 4H-SiC for Deep-Ultraviolet Photodetectors（表面台阶调控4H-SiC上β-Ga₂O₃薄膜的面内取向及其深紫外光电探测器应用）的文章。

期刊介绍

Chemical Engineering Journal（CEJ）是Elsevier旗下化学工程与先进材料领域的重要国际期刊，创刊于1996年，重点发表化学反应工程、环境化学工程、材料合成与加工及相关器件应用方面的原创研究。期刊重视材料制备、结构调控、性能机制与工程应用之间的内在联系，与本研究中表面台阶调控β-Ga₂O₃/4H-SiC异质外延取向及其高温深紫外探测器应用高度契合。根据2025年3月发布的中科院期刊分区表升级版，该期刊位列材料科学大类1区TOP期刊；最新影响因子为12.5，属于JCR Q1期刊，在化学工程、先进功能材料及光电器件领域具有较高的国际影响力。

背景

氧化镓（Ga₂O₃）是一种带隙约为4.8 eV的超宽禁带半导体，在功率电子、深紫外光电子和极端环境传感等领域受到广泛关注。Ga₂O₃具有本征日盲响应，适用于无需额外光学滤波器的深紫外光电探测。然而，在高温条件下，器件通常面临暗电流升高和信噪相关性能下降等问题。因此，获得具有可控晶体取向和良好高温光响应的高质量β-Ga₂O₃薄膜，是推动深紫外光电探测器发展的关键。

与同质外延相比，异质外延具有更灵活的衬底选择，其中4H-SiC凭借良好的化学稳定性、有利的晶体匹配关系和较高的热导率，成为β-Ga₂O₃异质外延的重要衬底。尽管能够形成β-Ga₂O₃ (-201) ∥ 4H-SiC (0001)的面外取向关系，但4H-SiC (0001)表面的三重旋转对称性与β-Ga₂O₃的单斜晶体结构共同导致六种可能的面内旋转取向。这些旋转畴的共存会造成多畴生长、局部取向偏差和薄膜质量下降。因此，抑制竞争性面内旋转畴并形成主导取向，仍是β-Ga₂O₃/4H-SiC异质外延面临的核心难题。

主要内容

本研究围绕β-Ga₂O₃在4H-SiC异质外延过程中易形成多种面内旋转畴这一关键问题，系统考察了衬底偏角与H₂刻蚀诱导表面台阶对薄膜取向演化的调控作用。通过化学气相沉积（CVD）法在表面处理的4H-SiC基底上生长了β-Ga₂O₃薄膜，并系统地研究了基底偏移切割以及氢气诱导的表面台阶对晶体取向演化的影响。通过比较轴向和偏转4°的4H-SiC基底，在有无氢气刻蚀条件下的差异，并结合XRD φ-扫描和极坐标图测量，该团队发现偏移台阶表面能显著抑制竞争的晶面内旋转变体，促进主导β-Ga₂O₃取向的形成。利用密度泛函理论计算，阐明了β-Ga₂O₃ (-201)与4H-SiC (0001)之间优先键合的机制，为观察到的外延取向提供了理论支持。基于优化后的薄膜，制备了横向Pt/β-Ga₂O₃/Pt MSM光电探测器，在高温下暗电流增加的情况下仍表现出明显的紫外光响应（DUV）。进一步展示了8×8个光电探测器阵列，作为概念验证的DUV成像器件。这项工作揭示了在4H-SiC上通过表面台阶控制的β-Ga₂O₃异质外延生长机制，并探讨了其在高温紫外成像和传感应用中的潜力。

创新点

①构建正轴/偏轴与有/无H₂刻蚀的四组对照，统揭示表面台阶对β-Ga₂O₃面内取向的调控作用。

②利用表面台阶调控β-Ga₂O₃的面内成核取向，实现了对β-Ga₂O₃/4H-SiC异质外延面内旋转畴的有效抑制。

③结合结构表征和密度泛函理论计算，明确β-Ga₂O₃ (-201) ∥ 4H-SiC (0001)和β-Ga₂O₃ [010] ∥ 4H-SiC [11-20]的外延排列。

④基于优化的β-Ga₂O₃/4H-SiC薄膜进一步实现了8×8阵列的概念验证性深紫外成像，验证了该材料体系在高温阵列探测中的应用可行性。

结论

在此，通过化学气相沉积法（CVD）在4H-SiC基底上生长了β-Ga₂O₃薄膜，并系统研究了基底偏移切割以及氢气诱导的表面台阶对晶面取向的影响。采用轴向和4°偏轴的4H-SiC基底，在有无氢气刻蚀条件下进行交叉比较实验表明，偏轴台阶表面能有效抑制竞争性的旋转取向。XRD φ-扫描和极坐标图测量显示，从六种晶面取向转变为一种占主导地位的取向，同时存在少量180°旋转取向。因此，摇摆曲线的全宽半高（FWHM）从1.26°降至0.75°，RMS粗糙度也从12.1 nm降低至1.5 nm。结构分析与密度泛函理论（DFT）计算证实，β-Ga₂O₃ (-201) 平行于4H-SiC (0001)，且 β-Ga₂O₃ [010] 平行于4H-SiC [11-20]，结合有利的结合能为-1.13 eV。优化后的薄膜表现出9.1%的O_II/(O_I + O_II)比值。基于该薄膜，横向叉指电极紫外光探测器在300°C下展现出可区分的光电响应，实现PDCR约为5×10³、响应率24.79 A/W；8×8阵列则实现了概念验证的紫外成像。

项目支持

本研究部分由以下项目资助：中国国家自然科学基金（项目编号62404163和U2330109）、中国博士后科学基金（项目编号2024M752516）、陕西省重点研发计划（项目编号2025GH-YBXM-052和2024GX-YBXM-081）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-YBQN-759和2024JC-YBMS-023）、陕西省“科学家+工程师”团队建设（项目编号2025QCY-KXJ-041）以及西安科技计划项目（项目编号25GXKJRC00074）。

图1. β-Ga₂O₃薄膜在4H-SiC基底上的生长过程与结构演化。(a) CVD生长过程示意图。(b, c) 氢气刻蚀后的4H-SiC基底的AFM图像（2×2 μm²）：(b)轴向方向，(c)偏轴4°方向。(d-f) 在四种代表性基底上生长的β-Ga₂O₃薄膜的结构表征：(d) XRD 2θ扫描，(e) ω扫描，(f) XRD φ扫描。(g) 根据β-Ga₂O₃ {-401}反射测量得到的极坐标图。(h) 对应β-Ga₂O₃薄膜的原子力显微镜图像（5×5 μm²）。

图2. 材料表征。(a) 沿[010]晶向记录的β-Ga₂O₃薄膜RHEED衍射图。(b) β-Ga₂O₃/4H-SiC的HRTEM图像。(c) β-Ga₂O₃的SAED衍射图。经过FFT处理的β-Ga₂O₃ HRTEM图像：(d) (-201), (e) (-200), (f) (001)。(g) 4H-SiC的SAED衍射图。(h) 4H-SiC (0001)的FFT处理后的HRTEM图像。(i) β-Ga₂O₃/4H-SiC的晶体结构模型。(j) 跨截面的EDS线扫描。(k) 跨截面的EDS元素分布图。比例尺为25 nm。(l) β-Ga₂O₃/4H-SiC的拉曼光谱。(m) Ga 2p的XPS能谱。(n) O 1s的价电子核心能级及拟合曲线。

图3. 原位生长机制。(a) β-Ga₂O₃和(b) 4H-SiC的晶体结构。(c) β-Ga₂O₃与不同晶面在4H-SiC (0001) 表面上结合的能量。(d) β-Ga₂O₃ (-201)/4H-SiC (0001) 的结构。(e) β-Ga₂O₃/4H-SiC的能带结构。

图4. β-Ga₂O₃/4H-SiC MSM DUV光电探测器的光电子性能。（a）β-Ga₂O₃/4H-SiC光电探测器的归一化光谱响应度；图inset为器件结构示意图。（b）所制备器件的SEM图像。（c）在DUV光照下，β-Ga₂O₃/4H-SiC MSM光电探测器的能带图及载流子输运特性。（d）在250 nm光照下，室温条件下不同光强下的I-V特性。（e）PDCR与响应度随光强的变化关系。（f）光电流与光强之间的拟合关系。（g）在250 nm光照下，温度从25至400°C范围内的I-V特性。（h）I_light、I_dark和PDCR的温度依赖性。（i）温度依赖的响应度。（j）室温下不同光强下的I–T曲线。（k）提取出的上升时间（τ_r1 和 τ_r2）和衰减时间（τ_d）随温度的变化关系。（l）器件在300°C工作时的红外热成像。

图5. β-Ga₂O₃/4H-SiC光电探测器阵列的成像性能。(a) 阵列布局的光学显微图像，以及代表性像素的扫描电镜放大视图。(b) β-Ga₂O₃/4H-SiC成像用8×8阵列示意图。(c, d) 在(c) 25°C和(d) 300°C条件下，分别在250 nm光照下重建的二维电流分布图。(e) 从(c) 和 (d) 中受光像素所提取电流的统计分布。

DOI:

doi.org/10.1016/j.cej.2026.179684