综述：氧化铟镓薄膜和光电探测器技术发展的综述

《Materials Science in Semiconductor Processing》：A review of developments in indium gallium oxide thin films and photodetectors

本文综述了铟镓氧化锌（InGaO）薄膜的生长工艺、光学特性及其在光电探测器中的应用，探讨不同制备方法（如PLD、MBE、CVD）对薄膜性能的影响，指出通过调控铟含量可实现带隙精准设计，从而优化太阳盲紫外探测器的性能。

　　

蒋聪|郑丹|王宝源

湖北大学微电子学院，中国湖北省武汉市，430062

摘要

(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜因其可调的带隙而受到了广泛关注。本文综述了(In_xGa_1-x)₂O₃在光电探测器领域中的最新进展，包括其生长技术、光学性质以及光电器件应用。重点探讨了不同沉积方法及相关因素对(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜性能的影响。In_xGa_1-x)₂O₃的性能受沉积技术和工艺参数的显著调控，这拓展了其在多种技术中的应用范围。总之，本文对(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜及其在光电探测器中的应用潜力进行了全面分析，为未来的研究方向提供了重要见解。

引言

氧化镓(Ga₂O₃)作为一种具有广阔应用前景的宽禁带半导体，尤其在电力电子和太阳盲紫外探测领域引起了极大兴趣。其约4.5–5.0 eV的宽禁带使得它在高电场下表现出优异的性能。此外，较高的介电常数(10.2–14.2)提高了器件电容并增强了击穿电压[1,2]。这些特性使Ga₂O₃成为传统宽禁带材料（如SiC和GaN）在高温、高压和高频应用中的有力替代品。由于其独特的性质，Ga₂O₃成为下一代设备（包括深紫外(DUV)光电探测器[PD]）的理想候选材料[3]。β-Ga₂O₃在254 nm处的带隙为4.9 eV，属于太阳盲紫外区域，由于其优异的化学和物理稳定性而受到关注[4],[5],[6]。然而，大多数基于Ga₂O₃的PD存在较高的背景电流和有限的检测能力，这给微弱信号检测和高灵敏度太阳盲探测带来了挑战。为解决这些问题，人们将Ga₂O₃与其他材料结合形成三元合金或异质结，以显著提升器件性能[7],[8],[9],[10]。铝和镓相似的电子结构激发了人们对(Al_XGa_1-X)₂O₃在光电探测器应用中的研究。通过增加Al含量，该三元化合物的带隙可连续调节至4.85–8.8 eV[11,12]。目前，已采用脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等多种技术合成(Al_XGa_1-X)₂O₃薄膜，并成功实现了太阳盲紫外光电探测器的开发[15,16]。相比之下，将In掺入Ga₂O₃可使其带隙逐渐变窄[17],[18],[19]。最近的研究表明，InGaO((In_xGa_1-x)₂O₃)作为一种重要的氧化物半导体，在下一代电子和光电子领域受到了广泛关注。其高电子迁移率、宽禁带和化学稳定性使其成为推动这些技术发展的理想材料[20],[21],[22]。虽然二元β-Ga₂O₃的禁带宽度固定（约4.8–4.9 eV），使其检测范围仅限于深紫外区域（截止波长约250 nm），但三元InGaO合金系统通过带隙工程实现了更高的灵活性。通过调节In含量，InGaO的带隙可在In₂O₃（约3.6–3.7 eV）和Ga₂O₃（最高4.9 eV）之间连续调节，从而根据具体应用需求精确设计截止波长[23,24]。从物理角度来看，In的引入显著增强了电荷传输能力。In的5s轨道杂化降低了电子有效质量，从而显著提高了电子迁移率[25]。这种提升直接体现在器件性能上：基于InGaO的光电探测器，特别是在金属-半导体-金属(MSM)结构中，表现出更优的欧姆接触形成，即使在低偏压下也能产生高光电流，有效降低了功耗并提高了光伏模式下的填充因子[26]。此外，三元合金的优化有助于抑制持续光电导(PPC)效应，有效减少了氧化物探测器中常见的信号“拖尾”现象，这对高速成像和光通信应用至关重要[27]。本文基于最新文献，全面综述了(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜的性质、制备方法和光电应用。第二节讨论了Ga₂O₃和In₂O₃的晶体结构，第三节探讨了这些薄膜的合成方法，第四节分析了(In_xGa_1-x)₂O₃的光学性质，第五节讨论了基于(In_xGa_1-x)₂O₃的各种光电探测器的性能。

节选内容

(In_xGa_1-x)₂O₃的结构与性质

In₂O₃作为另一种重要的III族亚氧化物，具有2.9 eV的基带隙和约3.7 eV的宽光学带隙[28]。尽管两种氧化物具有相似的价态，但其光学带隙明显小于Ga₂O₃。In₂O₃薄膜中的本征点缺陷可作为施主，通过产生自由电子来提高透明半导体的导电性[29]。在实际应用中，这种差异带来了挑战

(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜的制备

最新文献报道了通过In掺杂制备高质量(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜的研究，采用了MBE[33]、RF[37]、ALD[38]、PLD[39]、Mist-CVD[40]等技术。这些沉积方法需要在生长过程中仔细优化各种实验条件。以下部分详细讨论了使用磁控溅射、PLD、CVD和MOCVD的薄膜生长过程。

光电性能

(In_xGa_1-x)₂O₃具有高结晶度，缺陷和位错极少，从而增强了其光电性能，使其成为光电器件应用中的理想材料[37],[60],[61],[62],[63]。近年来，基于(In_xGa_1-x)₂O₃薄膜的光电探测器研究较为有限。因此，有必要回顾其在光电探测器领域的最新研究进展。

优化退火温度

结论与展望

三元氧化物半导体(In_xGa_1-x)₂O₃作为一种新兴的宽禁带材料，通过调节In含量可实现4.8–5.6 eV的精确带隙工程，展现出在DUV光探测和电力电子器件方面的巨大潜力。

本文全面总结了通过磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延和金属有机化学气相沉积等技术实现的外延生长进展

CRediT作者贡献声明

蒋聪：撰写初稿、方法论设计、概念构思。 郑丹：审稿与编辑、方法论设计、实验研究。 王宝源：审稿与编辑。

资助

本研究部分得到了湖北省自然科学基金创新小组项目(项目编号：2024AFA037)的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。