【国际论文】直击高温漂移难题！俄罗斯团队用SiO₂阻挡层提升Ga₂O₃传感器稳定性

        由俄罗斯托木斯克国立大学、俄罗斯科学院微结构物理研究所和圣彼得堡国立大学的研究团队在2026 IEEE第27届国际青年电子器件与材料会议（EDM）发表了一篇名为Effect of the SiO₂ Layer on the Diffusion of Al Atoms from the Sapphire Substrate into the Ga₂O₃ Thin Film Used as a Lambda-Probe（SiO₂层对Al原子从蓝宝石衬底向用作λ探针的Ga₂O₃薄膜扩散的影响）的文章。

        在汽车发动机、发电系统等高温环境中，气体传感器不仅要“测得准”，还要经得住高温考验。针对Ga₂O₃薄膜高温气体传感器在工作过程中容易出现性能漂移的问题，来自俄罗斯托木斯克国立大学、俄罗斯科学院微结构物理研究所和圣彼得堡国立大学的研究团队提出了一种新的解决方案：在蓝宝石衬底与Ga₂O₃敏感薄膜之间引入SiO₂阻挡层，以抑制高温条件下Al元素的扩散。

        Ga₂O₃具有较高的热稳定性和化学稳定性，被认为是高温气体传感器的重要候选材料。为提高敏感层表面对气体的响应，研究人员采用磁控溅射工艺制备Ga₂O₃薄膜，并选用耐高温、耐气体环境的商业蓝宝石作为衬底。

        然而，研究团队在前期研究中发现，一个可能影响传感器长期稳定性的问题出现在材料界面：高温退火以及实际工作过程中，蓝宝石衬底中的Al原子会向Ga₂O₃敏感层扩散。这种元素扩散会导致传感器基线电阻升高，并进一步引起器件特性漂移。对于需要在600～1000 ℃环境下运行的高温气体传感器而言，这种漂移显然会影响其可靠性。

        针对这一问题，研究人员在蓝宝石与Ga₂O₃薄膜之间加入SiO₂阻挡层，希望阻止Al元素向敏感层扩散。研究团队制备了三组样品，分别为不含SiO₂阻挡层、含SiO₂阻挡层，以及阻挡层经过1100 ℃预退火处理的样品。Ga₂O₃沉积完成后，样品进一步在1000 ℃下进行退火处理。

        结果显示，300 nm厚的SiO₂层能够显著抑制Al向Ga₂O₃薄膜中的扩散；经过1100 ℃预退火后，阻挡效果进一步增强，Ga₂O₃薄膜中的Al浓度降低至仪器检测限。这一结果表明，对阻挡层进行预处理能够进一步改善其高温扩散阻隔能力。

        在材料层面验证这一方案后，研究团队进一步制备了采用Ga₂O₃/SnO₂/Ga₂O₃多层结构的原型传感器，并集成Pt电极和加热器。

        更加值得关注的是，该原型器件并未止步于实验室测试。研究人员将传感器应用于真实内燃机环境进行验证。测试结果表明，所开发传感器的信号能够同步跟随商用参考lambda探针的读数变化，同时能够承受发动机振动以及快速升温至600 ℃的过程，并未表现出明显的特征性漂移。

        此次研究并未改变Ga₂O₃高温气体传感器的基本技术路线，而是从材料界面稳定性入手，针对蓝宝石衬底Al扩散这一具体问题提出了阻挡方案，并进一步完成了原型器件和实际发动机环境验证。对于高温气体传感器而言，这类围绕稳定性和可靠性的研究，有助于推动Ga₂O₃材料从实验室研究进一步走向实际应用。

DOI:

doi.org/10.1109/EDM69524.2026.11631909