【会员论文】ASS丨西安交通大学：高温退火与AlN表面改性协同增强磁控溅射Ga₂O₃薄膜二次电子发射性能

        由西安交通大学、中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学院大学、陕西省电子器件与先进芯片重点、西安市微纳电子与系统集成重点实验室、东莞市中科原子精密制造有限公司的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Enhanced secondary electron yield of magnetron sputtered Ga₂O₃ ultra-wide bandgap films via high-temperature annealing and AlN surface modification（高温退火与氮化铝表面改性提升磁控溅射氧化镓超宽禁带薄膜的二次电子发射系数）的文章。

        像增强器、光电倍增管等真空光电探测器件依靠二次电子发射实现信号倍增，高二次电子发射系数材料是器件核心倍增阴极，直接决定弱光成像、单光子探测的信噪比性能。传统氧化镁、氧化铝倍增层虽二次电子产额高，但电子补充速度慢，极易产生表面电荷累积，长期工作易出现结构击穿失效，制约真空探测设备稳定性。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，带隙 4.6–4.9 eV，电阻率可调区间覆盖 10⁻²–10⁶ Ω・cm，可快速耗散表面累积电荷，热稳定、不吸潮，是新一代倍增阴极理想候选材料。目前氧化镓二次电子发射相关研究存在多重短板：原生溅射薄膜表面碳杂质、本征氧空位缺陷多，二次电子逸出势垒高，原生样品产额仅 2.54；单一高温退火仅能小幅提升发射性能，缺少低电子亲和 AlN 表面改性协同方案；现有文献仅单独研究退火或单一涂层工艺，未系统对比退火、AlN 沉积、氩离子刻蚀多步复合工艺对表面物相、元素价态、载流子输运的耦合影响，缺少 4 nm 超薄 AlN 准连续改性层精准制备方法，也未定量解析界面 Al-O-N 杂化相对二次电子逸出的调控机理，难以支撑高性能真空电子倍增器件批量制备，构成该领域关键研究空白。

        氧化镓（Ga₂O₃）属于超宽禁带半导体，兼具优异二次电子发射能力与可调导电特性，可应用于电子倍增、电荷补偿型倍增极器件。本研究采用磁控溅射制备 Ga₂O₃ 薄膜，并通过高温退火调控薄膜二次电子发射系数（SEY）。实验结果表明，1000 ℃ 氧气氛围退火可提升 Ga₂O₃ 结晶度，部分去除表面有机杂质，薄膜最大二次电子发射系数 δₘ 由 2.54 提升至 3.21。在 Ga₂O₃ 表面沉积低电子亲和 AlN 薄膜后，表面状态与二次发射性能得到进一步优化；元素分析证实沉积 Al 后表面 Al 元素以 Al-N、Al-O、Al-O-N 三种物相存在，此时 δₘ 提升至 3.29。经退火与氩离子溅射处理可进一步去除有机污染物，恢复纯净 AlN/Ga₂O₃ 层状结构，二次发射性能持续提升：退火后 AlN 改性样品 δₘ 可达 3.35，退火叠加氩离子溅射处理后 δₘ 提升至 3.44。该超宽禁带 Ga₂O₃ 材料在真空电子倍增器件中具备实际应用潜力，同时本工作为拓展其他超宽禁带材料的二次电子发射应用提供重要参考。

        ①提出高温氧气退火+超薄 AlN 表面改性双协同优化方案，提升磁控溅射 β-Ga₂O₃ 薄膜二次电子发射系数。

        ②2. 证实 1000 ℃ 氧气退火可提升薄膜结晶度、清除表面碳杂质，纯 Ga₂O₃ 样品 δₘ 由 2.54 提升至 3.21。

        ③揭示 AlN 沉积后表面形成 Al-N、Al-O、Al-O-N 三类铝基界面物相，改性后样品 δₘ 达到 3.29。

        ④采用退火、AlN 沉积、氩离子溅射复合工艺实现二次发射系数累计提升 35.4%，最终最大 δₘ 可达 3.44。

        综上，本研究采用射频磁控溅射在低阻 n-Si (100) 衬底上成功制备 Ga₂O₃ 薄膜，并通过沉积后退火与 AlN 表面改性双重手段系统调控其二次电子发射性能。厚度 350 nm 的原生薄膜用于表面敏感二次发射系数测试，约 1 μm 厚薄膜仅用于 XRD、能谱表征以保证检测信号强度。1000 ℃ 高温退火促使薄膜基体结构致密化，宏观表现为薄膜厚度较沉积态收缩 16%–18%；同时薄膜平均晶粒尺寸由 41.1 nm 增至 44.7 nm（增幅 8.7%），中值晶粒尺寸由 32.6 nm 增至 35.5 nm（增幅 8.9%）。600–1000 ℃ 氧气高温退火后薄膜析出 β-Ga₂O₃ 晶相，XRD 图谱同时观测到衬底相关衍射峰；能谱定量分析显示退火后 Ga/O 原子比变为 2:2.84，呈现缺氧亚化学计量状态。高温退火可将薄膜最大二次发射系数 δₘ 由 2.54 提升至 3.21，性能提升 26.3%。采用名义厚度 4.0 nm 的 AlN 薄层表面改性可大幅优化低能区二次发射性能，δₘ 提升至 3.21，最优原电子能量 Eₘ 由 473 eV 降至 306 eV；结合 AlN 改性与退火协同调控后，样品 δₘ 可达 3.35。

        性能提升直接来源于 Ga₂O₃ 表层结构与元素组分演化：退火后缺氧亚计量比证明表面氧空位生成，同时热选择性去除碳基污染物，降低电子逸出势垒。飞行时间二次离子质谱标定 AlN 改性层为准连续功能薄层；XPS 芯能级谱与深度剖析证实 1000 ℃ 热重构引发界面原子互扩散，在溅射 40–87 s 区间出现信号强度平台。互扩散形成复合表层结构，低电子亲和 AlN 层提供优异二次发射能力，底层 Ga₂O₃ 可快速补充载流子，有效抑制表面电荷累积效应。

        研究证明高温退火可构筑以 Ga-O、Al-N 杂化键为主的稳定二次发射复合表面，Al-O、Al-O-N 次要物相起到辅助改性作用。该双重调控策略可高效、可复现地调控 Ga₂O₃ 基倍增极的二次发射性能，这套工艺方案可推广至其他超宽禁带材料体系，为下一代大功率、射频、真空电子倍增器件提供更多高性能材料选择。

        本研究得到甘肃省集成电路制造材料创新联合体专项（25ZDGE004）、中央高校基本科研业务费专项资金（xzy012025052）、国家自然科学基金（62101425）、国家重大科研仪器研制项目（52127817）、深圳市科技计划（KJZD20231023100501003）资助。

图 1 二次电子产生与逸出过程原理示意图。

图 2 不同溅射时长、退火处理后 n-Si 衬底 Ga₂O₃ 薄膜表面与截面场发射扫描电镜图：(a、c) 40 min、2 h 沉积原生未退火样品；(b、d) 对应退火后样品；插图为薄膜截面厚度图（插图标尺 200 nm）。

图 3 原生、退火态 n-Si 衬底 Ga₂O₃ 薄膜能谱图；内插表格汇总 Ga、O 元素质量分数与原子分数；Au 峰为扫描电镜表征前喷金导电层引入干扰峰。

图 4 不同退火温度（600、800、1000 ℃）及原生未退火 n-Si 衬底 Ga₂O₃ 薄膜 X 射线衍射谱，纵轴为对数坐标；竖直虚线为晶向标识辅助线。

图 5 Si 衬底原生、退火态 Ga₂O₃ 薄膜 XPS 全谱对比图。

图 6 Si 衬底 Ga₂O₃ 薄膜高分辨 XPS 芯能级谱；(a1、b1、c1) 未退火样品、(a2、b2、c2) 退火样品分别对应 Ga 2p、O 1s、C 1s 分峰拟合曲线。

图 7 Si 衬底 Ga₂O₃ 薄膜二次电子发射性能：(a) 原生及 600–1000 ℃ 退火样品 SEY 曲线；(b) 各样品最优原电子能量 Eₘ 与最大二次发射系数 δₘ 统计曲线。

图 8 退火后 AlN 改性 Ga₂O₃ 薄膜 XPS 全谱，附带氩离子溅射后样品作为对比。

图 9 Si 衬底 AlN 改性 Ga₂O₃ 薄膜高分辨 XPS 芯能级谱；(a1、b1、c1、d1、e1) 退火样品、(a2、b2、c2、d2、e2) 氩离子溅射后样品分别对应 Ga 2p、O 1s、Al 2p、N 1s、C 1s 分拟合谱图。

图 10 (a) 退火后 AlN 改性 Ga₂O₃ 薄膜飞行时间二次离子质谱深度剖析曲线，二次离子强度归一化至各自峰值；(b) 原子力显微镜表征前铯离子刻蚀区域边缘光学显微图；(c) 轻敲模式原子力显微镜采集的刻蚀坑边缘形貌图；(d) 原子力高度图像经旋转、平面拟合处理后选取白色框标注截面区域；(e) 从 (d) 白色框区域提取平均深度曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.167863