【会员论文】南京邮电大学研究团队实现了(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃合金薄膜带隙的连续可调为高性能全日盲波段紫外探测提供了新的思路

        超宽带隙半导体氧化镓（Ga₂O₃）在日盲紫外光电探测方面显示出巨大的应用潜力，但超宽的带隙导致了低导电性，使光电探测器产生的微弱电信号难以在实际应用中传输。此外，Ga₂O₃的宽带隙也限制了其探测波段范围，仅为日盲波段的三分之一左右，无法实现对日盲紫外光的全范围探测，从而导致实际应用受到限制，例如在生化传感器中无法准确匹配特定微生物或分子的吸收峰波长。此外，可控的带隙调制对异质结的构建非常有利。目前，引入与Ga原子结构相似的金属原子是最常用的Ga₂O₃能带裁剪方法。In和Ga都属于Ⅲ族元素，具有相似的电子结构和原子半径。并且，In₂O₃的光带隙约为 3.7 eV，小于Ga₂O₃的带隙（4.2-5.3 eV），因此有望通过构建(In_xGa_1-x)₂O₃合金来实现Ga₂O₃的能带裁剪。

        本工作提出了一种制备 (In_xGa_1-x)₂O₃合金薄膜的新方法，即在等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统中利用纯金属反应源（金属Ga和金属In）制备(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜，并且通过改变 In 掺杂含量实现了带隙的连续可调。

        我们一共制备了九组不同In含量的合金薄膜，所有样品的XRD结果如图1（a）所示，从中可以观察到当In含量x大于0.2时，薄膜中出现了混合相，更小In含量的薄膜都只显示出单纯的β-Ga₂O₃的衍射峰。图1（b）为放大后的（222）晶面的衍射峰，可以观察到随着In含量增大，衍射峰位置向更小的角度偏移，说明了更大离子半径的In元素的掺入导致了晶面间距的增大，图1（e）从TEM测量出来的晶面间距可以更直观地说明这一点。另外，从XPS的结果当中，可以同时观察到In和Ga元素，并且从对O1s峰的分峰发现薄膜中氧空位和表面吸附氧都随着In含量的增加呈现增大的趋势，如图1（c）（d）。

        如图2所示，(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜带隙在3.91-4.91 eV范围内可实现连续调节。制备出的基于合金的金属-半导体-金属（MSM）光电探测器的响应度峰值介于254-295 nm之间，并随In含量的增加呈现出红移的趋势，证明In原子的掺入可以对Ga₂O₃的带隙以及探测波段起到有效的调控作用。如图3所示，与Ga₂O₃光电探测器相比，一些合金光电探测器性能更加优越，(In_0.02Ga_0.98)₂O₃器件的PDCR高达10⁶，这可以归因于图4（a）（b）中描绘的带隙的变化、内部氧空位、表面吸附氧、晶界的产生等多种因素的协同作用。为了探索(In_xGa_1-x)₂O₃合金光电探测器件的潜在应用，我们进一步研究了其深紫外成像功能。图4（c）（d）分别显示了成像测试系统示意图和三种器件的图像传感结果。Ga₂O₃光电探测器的光电流太小，在实际应用中难以传输，这将导致图像分辨率较低。而合金光电探测器产生的光电流要大得多，因此图像更加清晰。

        这项研究通过在Ga₂O₃中引入In原子进行能带裁剪，实现了(In_xGa_1-x)₂O₃合金薄膜带隙的连续可调，以及相应光电探测器探测波段的展宽，为高性能全日盲波段紫外探测提供了新的思路。工作发表于物理化学领域著名期刊The Journal of Physical Chemistry Letters 论文第一作者为博士生奚昭颖，通讯作者为刘增研究员，杨莉莉博士和唐为华教授。

DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c00812

图1. (a) Ga₂O₃、In₂O₃和(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜的XRD图像。(b) In₂O₃和三组 (In_xGa_1-x)₂O₃薄膜（222）衍射峰的放大图像。(c) (In_0.08Ga_0.92)₂O₃的Ga 3d和In 4d的XPS光谱。(d) 所有样品中氧空位和化学吸附氧浓度的计算结果。(e) (In_0.08Ga_0.92)₂O₃薄膜的HRTEM图像，插图为相应的SAED图谱。

图2. In₂O₃、Ga₂O₃和(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜的(a) 拟合带隙，(b) 响应光谱。

图3. Ga₂O₃和(In_xGa_1-x)₂O₃光电探测器的(a) I-V和(b) I-t曲线、(c) PDCR、(d) R、D*、EQE。

图4. (a) (In_xGa_1-x)₂O₃晶体结构和表面氧吸附过程示意图；(b) 表面氧以及晶界对能带和光生载流子输运的影响示意图；(c) 成像测试系统；(d) 三个器件的图像传感结果。